Manual Practico de Voladura EXSA.pdf

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  • MANUAL PRACTICO DE

    VOLADURA

    Edicin especial

    La Lnea ms Completa para VoladuraDas Komplette Sprengstoffprogramm

    The Most Complete Blasting Line

  • PRESENTACION CAPITULO 1 Explosivos - Generalidades - Mecnica de rotura CAPITULO 2 Clasificacin de los explosivos CAPITULO 3 Caractersticas y propiedades de los explosivos CAPITULO 4 Rocas - Clasificacin (Resumen) - Caractersticas - Propiedades mecnicas CAPITULO 5 Geologa y sus efectos en voladura CAPITULO 6 Perforacin CAPITULO 7 Cebado o primado de explosivos - Carga de taladros en superficie y subsuelo - Carguo mecanizado en superficie CAPITULO 8 Mtodos de iniciacin - Iniciacin con mecha de seguridad - Iniciacin con cordn detonante - Iniciacin con sistema elctrico (convencional y secuencial) - Iniciacin con detonadores no elctricos de retardo - Comentarios prcticos sobre los sistemas iniciadores

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  • CAPITULO 9 Voladura de rocas - Voladura de bancos en superficie. Fundamentos - Voladura convencional, mtodo prctico, canteras y tajos - Trazos y salidas - Voladura de crter. Generalidades - Voladura de gran proyeccin: Cast Blasting. Generalidades - Voladura de subsuelo. Fundamentos - Tneles, galeras, chimeneas y piques. Diseo bsico - Mtodos de minado subterrneo. Generalidades - Voladura de taladros largos. Generalidades - Voladuras especiales. Voladura de tapn CAPITULO 10 Rotura secundaria - Voladura secundaria. Plastas y cachorros - Cargas conformadas CAPITULO 11 Voladura controlada y amortiguada - Voladura controlada en superficie - Voladura controlada en trabajos subterrneos - Voladura amortiguada: Air deck - Voladuras controladas especiales CAPITULO 12 Voladura en obras viales - Cortes a media ladera y trincheras - Voladura de gran volumen por gravedad CAPITULO 13 Voladura en agricultura y habilitacin de suelos - Irrigaciones, zanjas y canales - Explotacin forestal y aurfera. Eliminacin de tocones - Hoyos para postes, pilotaje y plantones CAPITULO 14 Voladura bajo recubrimiento y voladura bajo agua - Voladura de material detrtico. Desbroces - Voladura bajo agua

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  • CAPITULO 15 Explosivos en la industria petrolera - Prospeccin sismogrfica. Mtodos - Explosivos para ssmica y usos especiales - Excavacin de zanjas para oleoductos CAPITULO 16 Seguridad en el uso de explosivos en voladura - Normas y aspectos generales - Transporte de explosivos - Riesgos en aplicacin de explosivos. Tiros fallados - Destruccin de explosivos - Gases y polvo - Proyeccin de rocas - Vibraciones en voladura

    BIBLIOGRAFIA

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  • DESARROLLO DE UNA DETONACION

    Detonacin

    Tiempo

    Deflagracin

    t1

    Transicin

    Velo

    cida

    d de

    reac

    cin

    os materiales explosivos son compuestos o mezclas de sustancias en estado slido, lquido o gaseoso, que por

    medio de reacciones qumicas de xido-reduccin, son capaces de transformarse en un tiempo muy breve, del orden de una fraccin de microsegundo, en productos gaseosos y condensados, cuyo volumen inicial se convierte en una masa gaseosa que llega a alcanzar muy altas temperaturas y en consecuencia muy elevadas presiones. As, los explosivos comerciales son una mezcla de sustancias, combustibles y oxidantes, que incentivadas debidamente, dan lugar a una reaccin exotrmica muy rpida, que genera una serie de productos gaseosos a alta temperatura y presin, qumicamente ms estables, y que ocupan un mayor volumen, aproximadamente 1 000 a 10 000 veces mayor que el volumen original del espacio donde se aloj el explosivo. Estos fenmenos son aprovechados para realizar trabajo mecnico aplicado para el rompimiento de materiales ptreos, en lo que constituye la tcnica de voladura de rocas. Los explosivos constituyen una herramienta bsica para la explotacin minera y para obras de ingeniera civil. Los procesos de reaccin segn su carcter fsico-qumico y el tiempo en que se realizan se catalogan como: A. Combustin Puede definirse como tal a toda reaccin qumica capaz de desprender calor pudiendo o no, ser percibida por nuestros sentidos, y que presenta un tiempo de reaccin bastante lento. B. Deflagracin Es un proceso exotrmico en el que la transmisin de la reaccin de descomposicin se basa principalmente en la conductividad trmica. Es un fenmeno superficial en el que el frente de deflagracin se propaga por el explosivo en capas paralelas, a una velocidad baja, que generalmente no supera los 1 000 m/s. La deflagracin es sinnimo de una combustin rpida. Los explosivos ms lentos al ser activados dan lugar a una deflagracin en la que las reacciones se propagan por conduccin trmica y radiacin. C. Detonacin Es un proceso fsico-qumico caracterizado por su gran velocidad de reaccin y por la formacin de gran cantidad de productos gaseosos a elevada temperatura, que adquieren una gran fuerza expansiva (que se traduce en presin sobre el rea circundante). En los explosivos detonantes la velocidad de las primeras molculas gasificadas es tan grande que no ceden su calor por conductividad a la zona inalterada de la carga, sino que los transmiten por choque, deformndola y produciendo calentamiento y explosin adiabtica con generacin de nuevos gases. El proceso se repite con un movimiento ondulatorio que afecta a toda la masa explosiva y que se denomina onda de choque, la que se desplaza a velocidades entre 1 500 a 7 000 m/s segn la composicin del explosivo y sus condiciones de iniciacin. Un carcter determinante de la onda de choque en la detonacin es que una vez que alcanza su nivel de equilibrio (temperatura, velocidad y presin) este se mantiene durante todo el proceso, por lo que se dice que es autosostenida, mientras que la onda deflagrante tiende a amortiguarse hasta

    prcticamente extinguirse, de acuerdo al factor tiempo entre distancia (t/d) a recorrer. Tanto en la deflagracin como en la detonacin la turbulencia de los productos gaseosos da lugar a la formacin de la onda de choque. La regin de esta onda donde la presin se eleva rpidamente se llama frente de choque. En este frente ocurren las reacciones qumicas que transforman progresivamente a la materia explosiva en sus productos finales. Por detrs del frente de choque, que avanza a lo largo de la masa de explosivo, se forma una zona de reaccin, que en su ltimo tramo queda limitada por un plano ideal, que se denomina Plano de Chapman-Jouguet (CJ), en el cual la reaccin alcanza su nivel de equilibrio en cuanto a velocidad, temperatura, presin de gases, composicin y densidad, lo que se conoce como condiciones del estado de detonacin. En el plano CJ los gases se encuentran en estado de hipercompresin. La zona de reaccin en los altos explosivos es muy estrecha, slo de algunos milmetros en los ms violentos como TNT y dinamita gelatinosa y, por el contrario, es de mayor amplitud en los explosivos lentos o deflagrantes como el ANFO. Otra diferencia es que en el caso de una combustin o deflagracin, los productos de la reaccin de xido-reduccin se mueven en el sentido contrario al sentido de avance de la combustin, mientras que en el caso de una detonacin, los productos se desplazan en el mismo sentido de avance de la detonacin. Esto se evidencia por medio de la ecuacin fundamental conocida como la Condicin de Chapman-Jouguet:

    VOD = S + W Donde: VOD : velocidad de detonacin. S : velocidad de sonido. W : velocidad de partculas (productos). Donde se deduce que cuando W tiene un valor negativo, es decir cuando las partculas se mueven en el sentido contrario al avance de la reaccin de xido-reduccin, se tendr que VOD < S, lo que significa que la velocidad de avance de la reaccin es menor que la velocidad del sonido. En este caso se tiene un fenmeno de simple combustin o deflagracin subsnica. En resumen, deflagracin y detonacin son fenmenos de xido-reduccin, siendo la deflagracin de carcter subsnico, pues las ondas de compresin o dilatacin de baja densidad se

    L

    EXPLOSIVOS CAPITULO 1

    11

  • propagan con una velocidad menor o igual que la del sonido dentro de los gases resultantes como producto de la combustin rpida, mientras que la detonacin es de carcter supersnico, pues las ondas de compresin se propagan a velocidad mayor que la del sonido con respecto al medio gaseoso resultante. En ambos casos la turbulencia de los productos gaseosos dar lugar a la formacin de la onda de choque y la regin de esta onda donde la presin aumenta rpidamente se denomina frente de choque, que es precisa-mente donde transcurren las reacciones fsico-qumicas que transforman progresivamente a la materia explosiva en sus productos finales. En general, respecto a la velocidad, los explosivos son considerados como:

    a. Deflagrantes: cuando la velocidad est por debajo de los 1 000 m/s.

    b. Detonantes de bajo rgimen: de 1 000 a 1 800 m/s

    (transicin entre deflagracin y detonacin). c. Detonantes de rgimen normal; con velocidades entre

    1 800 y 5 000 m/s (categora a la que pertenecen casi todos los explosivos de uso industrial).

    Detonantes de alto rgimen: cuando la velocidad est por encima de los 5 000 m/s (es el caso de los altos explosivos de uso militar). Desde el punto de vista de aplicacin en la voladura de rocas, la reaccin de detonacin se traduce en un fuerte efecto de impacto triturador, mientras que en una deflagracin este efecto es muy limitado.

    EXPLOSIN La explosin, por su parte, es un fenmeno de naturaleza fsica, resultado de una liberacin de energa tan rpida que se considera instantnea. La explosin es un efecto y no una causa. En la prctica se consideran varios tipos de explosin que se definen con base en su origen, a la proporcin de energa liberada y al hecho que desencadenan fuerzas capaces de causar daos materiales: A. Explosin por descomposicin muy rpida La liberacin instantnea de energa generada por una descomposicin muy rpida de materias inestables requiere una materia inestable (explosivo) y un procedimiento de detonacin.

    B. Explosin por oxidacin muy rpida del aire La liberacin de energa generada por oxidacin muy rpida de un vapor, gas o polvo inflamable (gasolina, gris en las minas de carbn). C. Explosin nuclear Este tipo implica la liberacin instantnea de energa creada por fusin nuclear, tal como sucede en una bomba de hidrgeno o por fisin nuclear, tal como sucede en la bomba atmica (uranio). D. Explosin por exceso de presin Este tipo de explosin es el resultado de la liberacin instantnea de la energa generada por un exceso de presin en recipientes, calderos o envases y puede deberse a diversos factores como calentamiento, mal funcionamiento de vlvulas u otros motivos.

    PROCESO DE DETONACION

    Explosivo rompedor (secundario) Explosivo iniciador (primario) detonador Proceso de detonacin: Detonador: crea la onda de choque iniciadora (1). La onda avanza a alta velocidad originando la reaccin de la masa, inicialmente en un punto, el que se amplia hasta ocupar el dimetro total del explosivo, donde este adquiere su velocidad mxima de detonacin (velocidad de rgimen constante VOD). Por detrs del frente de choque (FC) se forma la zona de reaccin (ZR) limitada por el plano de Chapman Jouget (PCJ) con la mxima temperatura y presin de detonacin; donde la masa explosiva se descompone para originar la zona de explosin (ZE) que le sigue (con temperatura y presin de explosin, muy elevadas).

    E = explosivo an sin reaccionar ZR = zona de reaccin ZE = zona de explosin FC = frente de choque de la onda de detonacinPCJ = plano de Chapman Jouget (lmite de la

    zona de reaccin hacia la explosin) PT0 = presin cero P1T1 = presin y temperatura de reaccin P2T2 = presin y temperatura de explosin P3 = presin de trabajo (efecto mecnico)

    Explosivo (detonador)

    PT0 P1T1 P2T2 P3

    (FC) (PCJ)

    3 2 1

    (E) (ZR) (ZE)

    (FC) (PCJ)

    CAPITULO 1

    12

  • E. Ignicin espontnea La ignicin espontnea puede producirse cuando tiene lugar un proceso de oxidacin lento de la materia sin una fuente externa de calor; comienza lentamente pero va hacindose ms rpido hasta que el producto se inflama por s solo (carbn mineral acumulado, nitrato de amonio apilado sin ventilacin). Para el caso de los explosivos, a consecuencia de la fase de detonacin y ms all del plano CJ, ocurrir una descompresin y baja de temperatura de los gases hasta que alcancen una condicin de densidad y presin que se conoce como condiciones del estado de explosin. TERMOQUMICA DE LOS EXPLOSIVOS Se refiere a los cambios de energa interna, principalmente en forma de calor.

    La energa almacenada en un explosivo se encuentra en forma de energa potencial, latente o esttica. La energa potencial liberada a travs del proceso de detonacin se transforma en energa cintica o mecnica. La Ley de Conservacin de la Energa establece que en cualquier sistema aislado la cantidad de energa es constante, aunque la forma puede cambiar, as:

    (Up + Uc) = cte.

    Donde: Up : energa potencial Uc : energa cintica Pero no toda la energa suministrada por un explosivo se transforma en trabajo til, ya que tienen lugar algunas prdidas, como vemos en el siguiente cuadro:

    Los explosivos comerciales deben proporcionar suficiente energa remanente despus de la detonacin como para poder fracturar la roca, desmenuzarla, desplazar los fragmentos y apilarlos adecuadamente.

    Los parmetros termoqumicos ms importantes de un proceso de reaccin son: presin, calor de explosin, balance de oxgeno, volumen de gases, temperaturas de explosin y energa disponible que en forma simple se definen como:

    DISTRIBUCION DE LA ENERGIA POTENCIAL DE UN EXPLOSIVO EN LA VOLADURA

    EXPLOSION

    ENERGIA NO UTILIZABLE O PERDIDA

    Energa de impacto de la onda de choque

    Energa de presin de los gases en expansin

    ENERGIA UTIL DE TRABAJO

    Trmica (Calor)

    Snica (Ruido)

    Luminosa(Destello)

    Vibratoria (Onda ssmica)

    Fallas por disparo (Tiros fallados)

    (Fugas por fisuras)

    Energa remanente de la expansin de gases.

    Los efectos sumados de impacto y de presin producen primero la deformacin elstica y luego la rotura in situ de la roca, como craquelacin, gastando energa.

    Saldo o porcentaje utilizable para la rotura efectiva de fragmentos de roca.

    Saldo final para el desplazamiento de los fragmentos dentro del montn de escombros (para empujar y apilonar la ruma de detritos).

    Prdida al ponerse los gases a alta presin en contacto con la atmsfera.

    Prdida al golpear las estructuras colindantes (cajas, techo, etc.).

    Prdida al adicional en el impulso para proyeccin de fragmentos volantes (fly rocks).

    Nota: la rpida cada de presin de detonacin en la voladura se debe tanto al aumento continuo de volumen de la cavidad inicial, como al enfriamiento de los gases. Por tanto, es condicin prioritaria ubicar y confinar adecuadamente la carga explosiva, iniciarla con fuerza...