explosivos y sistemas de iniciacin
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8/16/2019 Explosivos y Sistemas de Iniciacin
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UNIVERSIDAD DE VIGO
Explosivos y Sistemas deIniciaciónApuntes
Fernando García Bastante
Año 2013
Revisión 3
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Explosivos y Sistemas de IniciaciónEste pequeño bloque constituye una introducción básica inicial o antesala de la
Tecnología e Ingeniería de los Explosivos. Consecuentemente presenta los conceptos y
principios básicos que serán requeridos por otras asignaturas en las que se profundizarán
y ampliarán los conocimientos aquí expuestos.
Parte de la información técnica recogida en estos apuntes proviene de catálogos de
fabricantes (MAXAM ‐antiguamente UEE‐ y ORICA) siendo responsabilidad del ingeniero
competente en voladuras obtener de las empresas proveedoras la información más
actual y veraz sobre las características técnicas y normas específicas de uso y seguridad de los explosivos y accesorios que vaya a consumir.
Índice General
Tema 1. Conceptos básicos
Tema 2. Caracterización de los Explosivos
Tema 3. Explosivos y Sistemas de Iniciación
Objetivos
Conocimiento y comprensión del significado de la explosión, de los tipos de
explosiones, del fenómeno de la detonación y sus características, de la naturaleza
de los explosivos y de los principios más básicos que rigen el fenómeno de la
detonación
Comprensión del significado de las características de los explosivos tanto de las
teóricas como de las determinadas experimentalmente
Conocimiento de las diferentes familias de explosivos utilizados en minería y obra
pública: su composición y características, los usos y presentación comercial
Conocimiento de los accesorios de voladura: su constitución, funcionamiento,
características y presentación comercial
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Tema 1. Conceptos Básicos
Índice del Tema
1. Explosión
Tipos
Modelo de explosión térmica de Semenov
Detonación y deflagración
Mecanismos de propagación
Tránsito detonación‐deflagración (TDD)
2. Explosivo
Definición, composición y productos de reacción
Valores característicos
Notas adicionales
1. ExplosiónDe acuerdo con Berthelot (1883) una explosión es un fenómeno caracterizado por una expansión
repentina de gases a un volumen mucho mayor que el inicial.
Dicho fenómeno ‐ al que generalmente nos referimos por sus efectos devastadores: destrucción,
fuego, llamas, proyección, ruido (onda aérea) y vibraciones en el terreno (onda sísmica)‐ está
causado por la liberación súbita de la energía –potencial, cinética, eléctrica, química o atómica‐
contenida en una fuente generándose en sus inmediaciones una onda de presión.
Tipos
de
explosiones
En función de la fuente de liberación de energía se pueden distinguir:
‐Explosiones Mecánicas: debidas, por ejemplo, a la liberación súbita de la energía
interna de un gas.
Muestra de éstas son las BLEVE (boiling liquid expanding vapor explosion). Un recipiente que
contiene gas licuado a la presión de vapor; si se produce la ruptura del recipiente, el líquido de su
interior entra en ebullición rápidamente. La transformación masiva a fase gaseosa provoca la
explosión del depósito. Si el gas es combustible puede además iniciarse una explosión química.
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Las energías de enlace son las siguientes:
Energía de enlace H‐H: 436 kJ/mol Energía de enlace O=O: 496 kJ/mol
Energía media de enlace O‐H: 463 kJ/mol
Entonces se liberarán 2 x (2 x 463) – (2 x 436 + 496) = 484 kJ, siendo el valor medio de la energía
liberada por átomo igual a:
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En donde Na representa el número de Avogadro ‐ 6.022 x 1023 mol‐1‐.
Pero para que la reacción química desemboque en una explosión es requisito necesario que ésta
se acelere pudiéndose distinguir dos mecanismos diferentes para que esto ocurra:
-Reacciones de cadena ramificada
La explosión se inicia a partir de reacciones en las que participan radicales muy activos
que se multiplican potencialmente. Véase debajo, siguiendo con el ejemplo anterior de la
reacción de oxidación del hidrógeno, que hay una primera reacción de cadena lineal pero
en las otras dos se duplican los radicales multiplicándose por tanto su producción.
OH• + H2 H2O + H•
Etapas con ramificación en cadena
H• + O2 OH•+ O•
O• + H2 OH•+ H•
-Explosiones Térmicas
En este caso la reacción se acelera debido a la liberación de la energía química que
cataliza la reacción al elevar la temperatura (T) de los reactivos. Este es el mecanismo que
produce la aceleración en los explosivos militares e industriales – también, en
determinadas condiciones termodinámicas iniciales, en la reacción de formación del agua
a partir de hidrógeno y oxígeno‐.
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Del gráfico también se deduce que para cada sustancia explosiva, con una determinada forma y
tamaño (fíjese en el término correspondiente a la superficie específica S/V en el flujo de
pérdidas), existe una temperatura crítica (Tc) – la llamada temperatura de auto‐ignición o de
auto‐inflamación que corresponde al punto de tangencia entre los modelos de flujos de calor del
gráfico‐ a partir de la cual se producirá una aceleración de la descomposición del explosivo que en
su caso podría desembocar en una detonación. Note que el equilibrio en ese punto es inestable.
Concentración y contacto íntimo entre las moléculas reaccionantes son factores que favorecen la
producción de energía y, por tanto, la posibilidad de producirse una explosión. Esta posibilidad
también se favorece cuando se tiene una gran cantidad de explosivo ya que disminuye la
pendiente de pérdidas – disminuye la relación S/V‐. De hecho, una regla fundamental en la
destrucción de los explosivos por combustión es no apilarlo nunca –los cartuchos deben estar
dispersos en la cama de fuego o en el caso cordón detonante éste debe cortarse en tiras; no se
quema el carrete dado que podría iniciarse por el auto‐confinamiento producido‐.
De lo expuesto se infiere que un calentamiento local del explosivo (por fricción, choque o calor
por ejemplo) al ocasionar un incremento de la velocidad de la reacción en las inmediaciones,
puede producir la descomposición global del explosivo por la acción auto‐catalítica descrita. Los
restos de explosivo que pueden quedar tras la voladura en la pila entre las piedras o, incluso, en
los fondos de barreno pueden causar accidentes, en el primer caso, durante la carga al ser
pellizcados por la pala o ser golpeados entre las piedras o, en el segundo caso, si se re‐perfora el
fondo de barreno –práctica ésta, totalmente prohibida‐.
Detonación y deflagración
El fenómeno de la detonación se reconoce a finales del siglo XIX, cuando en el estudio de la
propagación de llamas en mezclas gaseosas combustibles se observa dos regímenes de reacción
bien distintos según fuese el modo de iniciación:
Si se calentaba localmente la mezcla con una chispa se obtenía una velocidad de propagación de la llama del orden de unidades a decenas de m/s
Si se utilizaba una pequeña carga explosiva se generaba rápidamente una onda de choque con una velocidad de propagación de 2‐3 km/s
Incluso en determinadas condiciones la combustión degeneraba en una onda de choque de forma
espontánea, cuyo inicio quedaba marcado en el tubo que contenía la mezcla explosiva.
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Así pues, aunque tanto en la detonación como en la deflagración se da la condición de
espontaneidad (energía libre de Gibbs negativa, al ser en ambos casos reacciones exotérmicas con
producción de gas) se trata de fenómenos diferentes cuyas principales características distintivas
se resumen en el siguiente cuadro.
DETONACIÓN DEFLAGRACIÓN
La zona de reacción se desplaza por medio de la onda de choque a través de la cual la densidad, T y P del medio sufre una discontinuidad
La zona de reacción se desplaza por conductividad térmica con una variación continua de la densidad, T y P del medio reaccionante
La velocidad de propagación de la reacción es mayor que la velocidad del sonido en el medio
La velocidad de propagación de la reacción es menor que la velocidad del sonido en el medio
El sentido de la velocidad inicial de los productos de la reacción es el mismo que el de la propagación de la reacción (compresión)
El sentido de la velocidad inicial de los productos de la reacción es el contrario al de la propagación de la reacción (expansión)
Escala de la velocidad de propagación: Km/s *Escala de la velocidad de propagación: m/s
Escala de la presión: GPa Escala de la presión: MPa
* En mezclas gaseosas, en la etapa previa al tránsito a detonación, puede alcanzar del orden del Km/s
En general se denominan altos explosivos o explosivos rompedores a aquellas sustancias o
mezclas de sustancias cuyo régimen de descomposición normal es el de detonación mientras que
se denominan como pólvoras o propulsantes a aquellas otras cuyo régimen de descomposición es
el de deflagración o combustión.
En realidad dichas acepciones reflejan fundamentalmente el uso habitual de cada sustancia o
mezcla explosiva pues muchas de las pólvoras pueden detonar del mismo modo que los llamados
altos explosivos pueden deflagrar – y, por ejemplo, posteriormente pasar al régimen de
detonación‐ y ambos pólvoras y explosivos pueden, simplemente, arder a presión atmosférica.
Esto va a depender fundamentalmente del modo de iniciación y del confinamiento de la
composición reaccionante.
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Valores característicos de las detonaciones
Se presentan a continuación algunos órdenes de magnitud característicos del fenómeno de la
detonación:
Calor de explosión del orden de (0.5–1.5) Mcal/kg Velocidad de detonación del orden de (2‐9) km/s Presiones del orden de unidades a decenas de GPa Temperaturas de explosión de (2000‐5000) K Volumen de gases en condiciones normales del orden de (600‐1200) l/kg Potencias del orden de varios de GW/cm2
Note que no es tan singular la cantidad de energía generada como la rapidez con que se libera la misma o
potencia.
Notas adicionalesSobre la teoría de los Hot ‐Spots
La teoría de los puntos calientes ha influido en el desarrollo de los explosivos industriales de baja
sensibilidad no deseada (hidrogeles y emulsiones): la sensibilización de estos explosivos se realiza
incorporando micro‐burbujas de gas o aire, micro‐esferas de plástico o vidrio, y/o diminutas
partículas de aluminio que actuarán como puntos calientes
En las gomas se incorporan burbujas de aire durante el amasado de la pasta, en los ANFOS el aire
se encuentra ocluido en los poros del nitrato amónico.
También es reconocido el fenómeno de “dead‐press” o muerte por presión: si el explosivo es
sometido a altas presiones aumenta su densidad, desaparecen las burbujas y el explosivo se
desensibiliza, pudiendo fallar la detonación ‐esto ocurre, lógicamente, cuando el explosivo se
sensibiliza por dichas burbujas‐.
Por ejemplo para el ANFO la densidad crítica a partir de la cual se desensibiliza perdiendo su
aptitud a detonar es del orden de 1.2 g/cc.
La densidad crítica puede alcanzarse:
En barrenos profundos sometido a altas presiones hidrostáticas Si la onda de alta presión de un barreno alcanza a otro barreno cercano (por ejemplo, en caso de
presencia de agua)
En barrenos con carga desacoplada: la onda puede transmitirse a mayor velocidad por el aire que por el propio explosivo comprimiendo el explosivo antes de que llegue el frente de reacción (efecto canal)
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Sobre las mezclas pirotécnicas
Otro grupo dentro de la familia de materiales energéticos, que incluye los altos explosivos y las pólvoras, lo
constituyen las mezclas pirotécnicas de uso en las cerillas iniciadoras, en las pastas de retardo o en el
cordón de ignición. La reacción de descomposición de estas sustancias también es de oxidación‐reducción mas en este caso los productos de la reacción son, principalmente, sólidos y líquidos.
Sobre algunos términos utilizados habitualmente
Iniciar un explosivo es aportar al mismo un estímulo externo para hacerlo reaccionar (si la iniciación es ex
profeso) en el régimen deseado.
La sensibilidad de un explosivo es su aptitud a ser iniciado con mayor o menor facilidad (energía) y
dependerá del tipo de estímulo.
La sensibilidad deseada es la sensibilidad del explosivo frente a estímulos supersónicos (onda de choque).
La sensibilidad no deseada es su sensibilidad frente a estímulos subsónicos (choque, fricción o calor).
Una carga explosiva se dice que está desacoplada cuando su diámetro o calibre es menor que el diámetro
del barreno en el cual se introduce la misma. El factor de acoplamiento es la relación entre el diámetro de
la carga y el diámetro del barreno. Tan sólo en el caso de explosivos a granel, explosivos vertibles o de los
bombeables se puede rellenar completamente el barreno con el explosivo. Así pues, los explosivos
encartuchados presentarán mayor o menor grado de acoplamiento pero siempre será inferior a la unidad.
Una vez introducido el explosivo en el barreno, éste último se retaca o rellena y tapona con material
granular–muy habitualmente el propio detritus de la perforación‐. Así, los gases quedan durante mayor
tiempo confinados en el barreno, trabajando mejor sobre el macizo, a la vez que se reduce la onda aérea y
el riesgo de proyecciones de material.
Para iniciar la carga explosiva tiene que haberse introducido previamente en el barreno un cartucho‐cebo o
cebo – un cartucho en el que está insertado un detonador‐ o algún otro cebo; por ejemplo un multiplicador
que a su vez podrá se iniciado con un detonador o con cordón detonante.
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8/16/2019 Explosivos y Sistemas de Iniciacin
16/68
un banco con piedra V –distancia entre el barreno y la cara libre del banco‐ depende linealmente
del inverso de esta propiedad (cuanto menos potente es el explosivo más kilogramos se necesitan
para romper el mismo banco).
Son varios los parámetros teóricos utilizados para definirla, siendo los más usuales:
Potencia absoluta en peso (AWS): es el calor de explosión o calor de reacción a volumen constante (Qv) que a su vez es calor liberado supuesto que los productos de la reacción se encuentran a la densidad inicial. Se calcula como la diferencia entre las energías estándar de formación de los productos y los reactivos.
Potencia relativa en peso (RWS): es el ratio entre el AWS del explosivo y el AWS de un explosivo patrón. Habitualmente el patrón es el ANFO.
Potencia según Langefors: es 5/6 de la RWS más 1/6 de la relación entre el volumen de gases en CN producido por un kilogramo de explosivo y el volumen de gases producido por el explosivo patrón. Como patrón se utiliza una antigua goma sueca.
La potencia referida por unidad de peso puede referirse a potencia por unidad de volumen sin
más que multiplicar/dividir aquella por la densidad del explosivo/densidad del patrón.
Otro parámetro interesante es la energía específica que es igual al producto nRT. En donde n es el
número de moles gaseosos en los productos (por kilogramo de explosivo) y T es la temperatura
de explosión; por lo tanto está relacionado con la energía térmica de los gases de la explosión.
Un parámetro teórico que suelen reflejar los catálogos de los fabricantes de explosivos es la REE o
energía efectiva de los gases para desarrollar trabajo hasta que su presión cae a 100 MPa. Se
suele utilizar como patrón el ANFO (REEanfo=100%).
Este parámetro está relacionado con la máxima energía disponible para realizar trabajo o energía
útil teórica (Wu) cuyo valor viene determinado por las siguientes expresiones:
12
Siendo P = P (v) la variación de la presión a lo largo de la expansión isentrópica de los gases de la
detonación; vcj es el volumen específico de los gases en el estado de detonación y vf su volumen
final tras la expansión contra la atmósfera; w es la velocidad inicial de los mismos, Q es el calor de
detonación, To la temperatura ambiente y Tf la temperatura de los gases tras la expansión; C es el
calor específico de los gases.
Según estas ecuaciones la máxima energía disponible es igual:
-
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17/68
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Explosivos que tienen gran energía de burbuja como aquellos que producen un volumen elevado de gases (ANFOS)
Aunque la potencia y poder rompedor se pueden determinar a partir de modelos teóricos se
deben contrastar los resultados con ensayos que tratan de reproducir dichas propiedades, si bien
desde un punto de vista práctico.
Por otra parte existen otras características referidas a la fiabilidad y seguridad de los explosivos
que deben ser determinados experimentalmente.
En los epígrafes siguientes se mostrará en primer lugar un método sencillo para estimar los
parámetros de la detonación y, posteriormente, algunos de los ensayos realizados para estimar
las características más relevantes de los explosivos desde el punto de vista de la ingeniería de
voladuras.
2. Propiedades teóricas de la detonaciónLa determinación de las propiedades teóricas de la detonación de un explosivo es complicada mas
existen algunas metodologías que permiten realizar estimaciones de forma sencilla bajo algunos
supuestos. Con el objetivo de consolidar los conceptos Q, P, D y V (calor, presión y velocidad de
detonación, y volumen de gases en condiciones normales) e introducir uno nuevo (el balance de
oxígeno) se ilustra el Método de Kamlet y Jacobs.
La metodología es válida para explosivos densos (>1g/cc) de composición tipo: Cx Hy Oz Nw.
Aplicándola se obtiene una buena aproximación de la Presión de Detonación (la Q en cambio
suele sobre‐estimarla).
Método de Kamlet y Jacobs
Los pasos del método se describen a continuación:
1‐ Se parte de la siguiente jerarquía de formación de productos:
N2 (g) H2O (g) CO2 (g) [O2 (g)] [C (s)]
Esto es: se pasa todo el nitrógeno a N2, el hidrógeno a agua, si queda oxígeno el carbono
pasa a CO2 hasta que se agote bien el C bien el oxígeno:
‐Si sobró oxígeno éste queda como O2 siendo entonces el balance de oxígeno
positivo (pasaron los combustibles al estado de máxima oxidación)
-
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‐Si en cambio no hubo suficiente oxígeno para pasar todo el carbono a CO2
entonces parte del carbono queda como C siendo el balance de oxígeno negativo (queda
parte del combustible sin oxidar)
2‐ A partir de la composición del explosivo se determinan los moles de cada uno de los
productos, el volumen de gases en CN así como su masa molecular media (M).
3‐ El calor de detonación queda definido como la diferencia entre las entalpías estándar
de formación de los productos y los reactivos a 298K
4‐ La D y la P se determinan a partir de los parámetros anteriores y de las ecuaciones
siguientes:
P (GPa) =7.614 x 10-4 x ρ2 x Φ (la densidad del explosivo, ρ, en g/cc) D (m/s) = 22.328 x raíz(Φ) x (1+1.3ρ) (n, nº de moles de gas, en mol/kg) Φ = n x raíz(M) x raíz(Q) (el calor de detonación, Q, en KJ/kg) M = Mg/n (Mg, masa de los gases, en g/kg)
De acuerdo con el procedimiento expuesto las composiciones explosivas pueden ser tanto
excedentarias como deficitarias en oxígeno –balance de oxígeno (BO) positivo o negativo‐ Los
explosivos industriales se formulan con composiciones equilibradas (balance de oxígeno cercano a
cero) dado que:
Son más energéticas (los combustibles pasan al máximo estado de oxidación) Originan menos gases nocivos: cuanto mayor es el BO mayor cantidad de NOx mientras que con BO
negativo lo que aumenta es la producción de CO
Por otra parte, es habitual encontrar referencias de variables o funciones termodinámicas (T, P,
calor…) en el estado de explosión ‐ya anticipado anteriormente‐ en vez de en el estado de
detonación. El estado de explosión es aquél obtenido supuesto que los productos de la
detonación tienen una densidad igual a la densidad inicial del explosivo.
-
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20/68
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8/16/2019 Explosivos y Sistemas de Iniciacin
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8/16/2019 Explosivos y Sistemas de Iniciacin
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El grisú es una mezcla de metano y aire en proporciones variables que suele ir acompañada de
etano, anhídrido sulfúrico… El metano al ser más ligero que el aire se acumula en las partes altas
de los tajos y galerías, pudiéndose ser el desprendimiento: continuado y uniforme en todo el
frente o a través de fallas y grietas o, finalmente, súbito, proyectando grandes cantidades de
carbón.
Con proporciones entre el 5%‐16% de metano la atmósfera es susceptible de inflamarse:
CH4 + 2(4 N2+ O2) CO2 + 2H2O + 8N2+ 191Kcal
Según la teoría térmica de Mallard y Le Chatelier para inflamar el grisú es necesario mantenerlo
por encima de su temperatura de inflamación durante cierto periodo de inducción (10s a 650ºC).
Este fenómeno es conocido como retardo a la inflamación. A temperaturas mayores el tiempo de
inducción disminuye (por ejemplo, a 1000ºC es 1s).
Como en la detonación la expansión de los gases es muy rápida y la temperatura cae
bruscamente, en 1890 la comisión francesa del grisú estableció como explosivos de seguridad
roca y de seguridad capa a aquellos cuya temperatura de detonación fuese inferior a 1900ºC y
1500ºC, respectivamente. Dichos explosivos estaban compuestos de NA (Tª explosión de 1350ºC)
incluyendo como sensibilizante un pequeño porcentaje de NG.
Pero paralelamente se comprobó que con Tª inferiores a 1500ºC se podía iniciar la atmósfera lo
que llevó a establecer la teoría de la carga límite según la cual la onda de choque comprime y
calienta adiabáticamente la atmósfera aumentando la presión en la dirección axial del barreno y
sentido de detonación proporcionalmente al número de cartuchos o carga explosiva.
Mas se observó que existían otros factores causantes de la inflamación de la atmósfera como son:
las reacciones entre los gases calientes de la voladura ‐por lo que se propuso taponar las bocas de
los barrenos con material inerte que refrigerase la Tª de los gases a 600ºC‐ o el choque de los
gases con las paredes de las galerías cercanas que puede ocasionar reacciones secundarias
activando la inflamación ‐se propuso entonces envolver el cartucho con una envuelta de
seguridad compuesta de materias inhibidoras (bicabonato sódico, cloruro sódico...).
Para explicar la diversidad de fenómenos que provocan la inflamación del grisú, Audibert propuso
que la descomposición del metano se propaga por intermedio de gérmenes (átomos y radicales
libres) de manera que si hay una concentración suficiente de los mismos se puede iniciar y
propagar la inflamación a toda la masa gaseosa.
-
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Su origen es diverso: temperatura del frente de detonación y de los gases en expansión, onda de
choque, reacciones secundarias, plasma de explosión, llama, partículas incandescentes, chispas
eléctricas...
Estos pueden desaparecer si la expansión es muy rápida o pueden agotarse si la expansión es muy
lenta, siendo peligrosa la situación intermedia. También pueden activarse cuando la masa gaseosa
choca contra una superficie fuera del barreno.
De esto se deduce la importancia de que cada barreno esté bien obturado con su retacado
correspondiente y se complete la reacción con el paso de la onda de choque, o sea, que el
régimen de descomposición sea de detonación.
Por otra parte, se pueden añadir inhibidores en la masa explosiva que absorban parte de la
energía química a costa de su calor específico; ésta es la base de los explosivos de seguridad.
El golpe de polvo es la combustión de una suspensión de polvo de carbón con un aumento de la
presión que produce el levantamiento de más polvo, con lo que combustión se propaga hasta
grandes distancias. Puede ser provocada por una llamarada o por la inflamación de grisú.
Dos teorías explican este fenómeno:
Los granos de carbón por delante del frente de la llama sufren una destilación de sus componentes orgánicos volátiles mezclándose con el aire y propagándose la combustión a través de esta mezcla inflamable
Los granos en el frente se oxidan desprendiendo el calor necesario para acelerar y mantener la reacción de combustión
Según estas teorías la facilidad de inflamación dependerá del contenido en volátiles del carbón ‐
crece con el porcentaje en volátiles hasta llegar al 26% en que no hay aumento‐, de la
granulometría del carbón y del contenido en estériles y la humedad.
De todo lo anterior se deduce que el trabajo en labores inclinadas, la presencia de fracturas y
fallas en el tajo, o de carbón en el frente o en las inmediaciones son factores que favorecen la
posibilidad de formación de atmósferas explosivas. Habría que añadir también la utilización de
ventilación secundaria así como del retardo en la voladura.
A este último respecto cabe señalar que el riesgo de formación aumenta con la duración de la
pega, existiendo un valor límite por debajo del cual el peligro es nulo. El valor límite es mayor con
cebado anterior que con cebado posterior, mas debido al riesgo de descabezamiento la ley
prescribe el uso de cebado posterior –en el culote del barreno‐ para evitar explosión al aire.
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Tema 3. Explosivos y Sistemas de
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