PERFORACIÓN PERFORACIÓ N Y TRONADURA II PARA MINERÍA A CIELO ABIERTO UNIDAD V: TRONADURA
TERMODINAMICA DE LOS EXPLOSIVOS EXPLOSIVOS PROPIEDADES DE LOS EXPLOSIVOS EXPLOSIVOS EXPLOSIVOS INDUSTRIALES
Profesor: Heber Hernández G. Ingeniero civil en minas, diplomado en gestión gestión minera (PUC). (PUC).
Contenido Unidad V 1. 2. 3.
Termodinámica Termodinámi ca de los explos explosivos ivos Propied Pro piedade adess de los expl explosi osivos vos Explos Exp losivos ivos ind indust ustria riales les
Contenido Unidad V 1. 2. 3.
Termodinámica Termodinámi ca de los explos explosivos ivos Propied Pro piedade adess de los expl explosi osivos vos Explos Exp losivos ivos ind indust ustria riales les
CUESTIONARIO - EVALUACIÓN DIAGNOSTICO 13 de Octubre, 2015 UAC, La Serena “PERFORACIÓN Y TRONADURA PARA MINERÍA A CIELO ABIERTO”
CUESTIONARIO MÉTODO DE LAS 4 PREGUNTAS 1. ¿Que es el ANFO, cuales son sus componentes básicos y que compuestos libera luego de su descomposición en una explosión? 2. ¿Que es el confinamiento de un explosivo y por que se realiza? 3. ¿Cual es el volumen teórico que arrojara una tronadura de un banco de 15 metros, si el largo de la malla cuadrada es de 16 x 16 metros y la densidad de la roca es de 2.62 t/m³? 4. Pregunta propuesta por el profesor.
TERMODINÁMICA DE LOS EXPLOSIVOS ¿Qué es la termodinámica? Es una rama de la física encargada del estudio de la interacción entre el calor y otras manifestaciones de la energía. •
¿Qué es el calor? En termodinámica el calor se define como transferencia de energía. •
¿Que es la energía? Se define como la capacidad de un sistema para realizar un trabajo. •
Se puede concluir por ende, que la termodinámica estudia los fenómenos inherentes a las transformaciones energéticas y sus efectos sobre el estado de la materia
TERMODINÁMICA DE LOS EXPLOSIVOS •
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La termodinámica analiza los cambios de energía (debido a modificaciones en la temperatura, en la presión y en el volumen) en un sistema físico.
Los explosivos liberan energía, a partir de reacciones químicas, que derivan en transformaciones físicas del medio afectado por la “explosión”. Lo que los convierte en un objeto de estudio con dicha rama de la física.
GENERALIDADES DE LOS MATERIALES EXPLOSIVOS •
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Los materiales explosivos son compuestos o mezclas de sustancias en estado sólido, líquido o gaseoso, que por medio de reacciones químicas de óxidoreducción, son capaces de transformarse en un tiempo muy breve, del orden de una fracción 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. Una reacción de óxido-reducción es básicamente una transferencia de electrones, en donde una sustancia gana electrones y otra sustancia pierde electrones
GENERALIDADES DE LOS MATERIALES EXPLOSIVOS •
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Los explosivos son mezclas estables entre oxidantes y combustibles. Se descomponen violentamente liberando gran cantidad de energía que se utiliza para romper la roca. La mayoría de los explosivos comerciales utilizan nitratos como oxidantes, siendo el nitrato de amonio el material básico de fabricación. Otros comúnmente usados son el de sodio, calcio, potasio y algunos inorgánicos tales como aminas y hexaminas (derivados del nitrato). Los combustibles básicos para un explosivo incluyen el C y el H, ya que éstos reaccionan con el O para liberar grandes cantidades de energía. La mayoría de los combustibles son hidrocarburos que tienen una estructura básica de CH2.
GENERALIDADES DE LOS MATERIALES EXPLOSIVOS •
En general, existen dos tipos de explosivos: los moleculares y los compuestos.
1. Los moleculares tienen O y combustible dentro de las mismas moléculas; su ventaja es que sus oxidantes y combustibles están en contacto íntimo, de manera que la reacción se lleva a cabo en forma extremadamente rápida y generalmente es completa. El trinitrotolueno (TNT) es un ejemplo de un explosivo molecular. 2. Los explosivos compuestos contienen oxidantes y combustibles en diferentes moléculas o en diferentes compuestos. Debido a que el combustible y el oxidante están muy separados, la reacción de descomposición se lleva a cabo mucho más lentamente que en un explosivo molecular. El ANFO, las emulsiones y los acuageles son todos ejemplos de explosivos compuestos, aunque, ellos son un sistema híbrido ya que el nitrato de amonio contiene tanto combustible H y O en asociación molecular, en adición al combustible separado contenido en el petróleo.
GENERALIDADES DE LOS MATERIALES EXPLOSIVOS •
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Una reacción exotérmica muy rápida producida por la detonación de un explosivo, genera una serie de productos gaseosos a alta temperatura y presión, químicamente más estables, y que ocupan un mayor volumen, aproximadamente 1.000 a 10.000 veces mayor que el volumen original del espacio donde se alojó el explosivo. Estos fenómenos son aprovechados para realizar trabajo mecánico aplicado para el rompimiento de materiales pétreos, en lo que constituye la “técnica de voladura de rocas” .
PROCESOS DE DESCOMPOSICIÓN DE UNA SUSTANCIA EXPLOSIVA Los explosivos químicos, según las condiciones a que estén sometidos, pueden ofrecer un comportamiento distinto del propio de su carácter explosivo. Los procesos de descomposición de una sustancia explosiva son: la combustión propiamente dicha, la deflagración y, por último, la detonación. Tanto la naturaleza de la propia sustancia como la forma de iniciación y condiciones externas gobiernan el desarrollo de la descomposición. •
Combustión: Puede definirse como tal a toda reacción química capaz de desprender calor pudiendo o no, ser percibida por nuestros sentidos, y que presenta un tiempo de reacción bastante lento. •
Ej: calor + oxigeno = combustión
PROCESOS DE DESCOMPOSICIÓN DE UNA SUSTANCIA EXPLOSIVA •
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Deflagración: Es un proceso exotérmico en el que la transmisión de la reacción de descomposición se basa principalmente en la conductividad térmica. Es un fenómeno superficial en el que el frente de deflagración se propaga por el explosivo en capas paralelas, a una velocidad baja, que generalmente no supera los 1 000 m/s. La deflagración no alcanza a ejercer una liberación de gases tales como la descomposición por detonación, por lo que no cumple los requerimientos para romper la roca. También se puede definir como una explosión controlada.
PROCESOS DE DESCOMPOSICIÓN DE UNA SUSTANCIA EXPLOSIVA •
Detonación: Es un proceso físico-químico caracterizado por su gran velocidad de reacción y por la formación de gran cantidad de productos gaseosos a elevada temperatura, que adquieren una gran fuerza expansiva (que se traduce en presión sobre el área circundante).
DETONACIÓN •
En resumen, deflagración y detonación son fenómenos de óxido-reducción , siendo la deflagración de carácter subsónico , pues las ondas de compresión o dilatación de baja densidad se propagan con una velocidad menor o igual que la del sonido dentro de los gases resultantes como producto de la combustión rápida mientras que la detonación es de carácter supersónico, pues las ondas de compresión se propagan a velocidad mayor que la del sonido con respecto al medio gaseoso resultante.
Ecuación Fundamental de Chapman-Jouguet
En base a la “Condición de Chapman-Jouguet ”, cuando la velocidad de las partículas es negativa, se produce la deflagración.
CATEGORIZACIÓN DE EXPLOSIVOS POR SU VELOCIDAD En general, respecto a la velocidad, los explosivos son considerados como:
1. Deflagrantes: cuando la velocidad está por debajo de los 1 000 m/s. 2. Detonantes de bajo régimen: de 1 000 a 1 800 m/s (transición entre deflagración y detonación). 3. Detonantes de régimen normal: con velocidades entre 1 800 y 5 000 m/s (categoría a la que pertenecen casi todos los explosivos de uso industrial). 4. Detonantes de alto régimen: cuando la velocidad está por encima de los 5 000 m/s (es el caso de los altos explosivos de uso militar).
EXPLOSIÓN La explosión, por su parte, es un fenómeno de naturaleza física, resultado de una liberación de energía tan rápida que se considera instantánea. La explosión es un efecto y no una causa. En la práctica se consideran varios tipos de explosión que se definen con base en su origen, a la proporción de energía liberada y al hecho que desencadenan fuerzas capaces de causar daños materiales. A. Explosión por descomposición muy rápida B. Explosión por oxidación muy rápida del aire C. Explosión nuclear D. Explosión por exceso de presión E. Ignición espontánea
PARAMETROS TERMOQUIMICOS DE UNA REACCIÓN EXPLOSIVA Los explosivos comerciales deben proporcionar suficiente energía remanente después de la detonación como para poder fracturar la roca, desmenuzarla, desplazar los fragmentos y apilarlos adecuadamente. Los parámetros termoquímicos más importantes de un proceso de reacción son:
1. 2. 3. 4. 5. 6.
presión calor de explosión balance de oxígeno volumen de gases temperaturas de explosión energía disponible.
PRESIÓN Presión de detonación: Es la presión que existe en el plano “CJ” detrás del frente de detonación, en el recorrido de la onda de detonación. Es función de la densidad y del cuadrado de velocidad y su valor se expresa en kilobares (kbar) o en megapascales (MPa). Así, en los explosivos comerciales varía entre 500 y 1 500 MPa. Es un indicador significativo de la capacidad de fragmentación que posee un explosivo. •
PRESIÓN DE DETONACIÓN (PD) EJERCICIO: Cuál es la presión de detonación de la dinamita, conociendo que su densidad es de 1,3 g/cm³ y su velocidad de detonación corresponde a 4,500 m/s.
PRESIÓN DE DETONACIÓN (PD) EJERCICIO 2: Cuál es la presión de detonación del explosivo comercial distribuido por ENAEX, Emultex N de 1.32 g/cm³ de densidad y 3,940 m/s de VOD.
PD: 1.32 X (3.949)² X 10ˆ5 = ? kbar 4
PRESIÓN DE EXPLOSIÓN (PE) Es la presión de los gases producidos por la detonación, cuando estos todavía ocupan el volumen inicial del explosivo antes de cualquier expansión. Nuevamente dentro de una primera aproximación muy aceptada, se puede considerar que la presión de explosión es igual al 50 % de la presión de detonación. Entonces, para la dinamita antes considerada:
PE = 0,5 PD PE = 0,5 x 66 = 33 kbar
PRESIÓN DE TALADRO O TRABAJO (PT) Es la presión que ejercen los gases sobre las paredes de taladro antes de iniciarse la deformación de la roca. Depende de la densidad de carguío y se define como sigue: en el caso de un taladro total y perfectamente llenada, la presión de taladro es teóricamente igual a la presión de explosión. En realidad será algo inferior, ya que la presión de explosión presupone un fenómeno instantáneo, cuando realmente la transformación del explosivo en gas se produce en aproximadamente un milisegundo o menos. De esta demora resulta una ligera pérdida de presión, tal como lo demuestran las conocidas curvas presión versus tiempo. Para gran número de explosivos se ha constatado que la presión de taladro obedece aproximadamente a la siguiente ecuación:
EJERCICIO PROPUESTO: PRESIONES EN UN PROCESO DE REACCIÓN Encuentre la presión de detonación, de explosión y de trabajo para el ANFO 94/6, conociendo su densidad de 0.9 g/cm³ y VOD de 2.800 m/s.
CALOR DE EXPLOSIÓN Es el calor generado y liberado por el proceso de reacción de un explosivo al ser activado. Cuando se produce una explosión a presión constante ejerciendo únicamente un trabajo de expansión o compresión, “la Primera Ley de la Termodinámica” establece que:
EJEMPLO: CALCULO DEL CALOR DE EXPLOSIÓN DEL ANFO Para el ANFO convencional 94/6, podemos calcular su calor de explosión utilizando los calores de formación (kcal/mol) y pesos moleculares de sus componentes.
El balance de reacción del ANFO es:
3NH4NO3 + 1CH2 (explosivo)
=
CO2 + 7H2O + 3N2
(productos de reacción)
EJEMPLO: CALCULO DEL CALOR DE EXPLOSIÓN DEL ANFO Sustituyendo los valores del cuadro tenemos para el
explosivo (Qp): 3(- 87,3) + (- 7) = - 268,9 kcal Para los productos de reacción (Qr): (- 94,1) + 7(- 57,8) + 3(0) = - 498,7kcal Luego Qp - Qr = Qe; calor de explosión, que es:- 498,7 kcal - (- 286,9 kcal) = - 229,8 kcal
Si se libera calor durante la reacción se dice que se tiene calor de formación negativo (exotérmica); si se tiene que adicionar calor para producir la reacción se dice que la composición tiene calor de formación positivo (endotérmica).
EJEMPLO: CALCULO DEL CALOR DE EXPLOSIÓN DEL ANFO El peso molecular (PM) del explosivo según los valores de tabla es: PM = 3(80,1 g) + 1(14 g) = 254,3 g El calor de explosión obtenido se divide entre el número de gramos de la mezcla para normalizar la reacción a un gramo o unidad base de peso. Como usualmente se emplea el kilogramo como unidad, al multiplicar el resultado por 1 000 g/kg resulta: QKp = 229,8 kcal x 1 000 g/kg = 903,7 kcal/kg 254,3 g
ESTE VALOR CORRESPONDE A LA CANTIDAD DE KCAL LIBERADAS POR KILOGRAMO EN EL CALOR DE EXPLOSIÓN DEL ANFO. LO CUAL ES SUFICIENTE PARA ROMPER LA ROCA.
VOLUMEN DE EXPLOSIÓN Es el volumen que ocupan los gases producidos por un kilogramo de explosivo en condiciones normales.
El volumen o mol de la molécula-gramo de cualquier gas , en condiciones normales es 22,4 litros. Para el caso de la nitroglicerina, como ejemplo se tiene:
La explosión de 1 mol de nitroglicerina genera: (12 + 10 + 6 + 1 = 29) 29/4 = 7,25 g-mol de productos gaseosos a 0°C y a presión atmosférica, por lo que el volumen de explosión será: 7,25 g-mol x 22,4 litro/g-mol = 162,4 litros
BALANCE DE OXIGENO Con excepción de la nitroglicerina y el nitrato de amonio, la mayoría de los explosivos son deficientes en oxigeno, pues no tienen suficiente para poder convertir cada átomo de carbono e hidrógeno presentes en la molécula explosiva en dióxido de carbono y agua. Normalmente un explosivo no utiliza el oxígeno atmosférico durante el proceso de detonación, por lo cual el calor generado por la explosión de un producto deficiente en oxígeno es menor que el generado en condiciones de oxidación completa.
ENERGÍA MÍNIMA DISPONIBLE Es la cantidad de trabajo que realizan los productos gaseosos de una explosión cuando la presión permanece constante a 1 atm. En su forma más simplificada, la ecuación diferenciadapara el trabajo de expansión (We) a presión (P) constante, es:
We = P x (V2 - V1) donde: We : trabajo de expansión. P : presión resistente (1 atm). V1 : volumen de explosivo. V2 : volumen de los gases de explosión. Como el volumen V1 es despreciable frente al de los gases producidos, la cantidad de trabajo disponible viene dada por:
