La Ingeniería Detrás de la Voladura de Roca. La voladura es una técnica fundamental en la minería y la construcción, diseñada para fragmentar masas rocosas mediante el uso controlado de explosivos. Este proceso es esencialmente químico, donde la energía almacenada en los explosivos se libera de manera rápida y controlada para fracturar la roca. La correcta ejecución de una voladura aumenta la eficiencia en actividades subsecuentes como el carguío, el transporte y la trituración del material rocoso, mejorando así el costo total de las operaciones mineras.
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Objetivos Principales de la Voladura
Los objetivos de la voladura son dos principales. Primero, la destrucción de la estructura de una masa rocosa in situ para facilitar la excavación eficiente con equipos mecánicos. Segundo, es crucial minimizar el daño a la roca adyacente que no se desea fracturar, protegiendo así la estabilidad de las estructuras cercanas y optimizando la eficiencia de la operación.
Definiciones Clave en la Voladura
Voladura
La voladura es un proceso tridimensional en el cual la alta presión generada por explosivos confinados en perforaciones rocosas provoca una concentración de energía. Esta energía se libera, fragmentando y desplazando la roca de manera controlada. Dependiendo de las condiciones y el tipo de explosivo, el proceso puede variar entre combustión, deflagración y detonación.
Combustión
La combustión es una reacción química que libera calor, perceptible o no, dependiendo de las condiciones del proceso. En el contexto de la voladura, esta reacción es menos agresiva y controlada comparada con otros procesos de descomposición explosiva.
Deflagración
La deflagración es un proceso exotérmico donde la reacción de descomposición se propaga principalmente a través de la conductividad térmica. Es una forma de explosión más controlada y de menor intensidad comparada con la detonación, ideal para situaciones que requieren una liberación de energía más moderada.
Detonación
La detonación es un proceso físico-químico caracterizado por una velocidad de reacción extremadamente alta y la producción de grandes cantidades de gases a altas temperaturas. Esta reacción genera una onda de choque que puede alcanzar velocidades entre 1500 y 7000 m/s, dependiendo del tipo de explosivo y las condiciones de iniciación.
Explosión y Tipos de Explosiones
Explosión
La explosión es un fenómeno físico resultante de una liberación de energía extremadamente rápida, considerada casi instantánea. Según Berthelot, una explosión implica la rápida expansión de gases en un volumen mucho mayor que el original, acompañada de ruidos y efectos mecánicos violentos. Las explosiones pueden clasificarse según su origen y la naturaleza de la energía liberada.
Tipos de Explosiones
Explosión por Descomposición Rápida
Este tipo de explosión ocurre debido a la rápida descomposición de materiales inestables, como explosivos, y requiere un procedimiento de detonación.
Explosión por Oxidación Rápida
Se genera por la rápida oxidación de un vapor, gas o polvo inflamable, como la gasolina o el grisú en minas de carbón.
Explosión Nuclear
Involucra la liberación instantánea de energía por fusión nuclear, como en una bomba de hidrógeno, o por fisión nuclear, como en una bomba atómica.
Explosión por Exceso de Presión
Ocurre cuando hay un exceso de presión en contenedores cerrados, como calderos, debido a factores como sobrecalentamiento o fallos en válvulas de seguridad.
Ignición Espontánea
Se produce cuando un material sufre una oxidación lenta sin una fuente externa de calor, como el nitrato de amonio almacenado sin ventilación.
Termoquímica de los Explosivos
La termoquímica de los explosivos analiza los cambios de energía interna, principalmente en forma de calor. La energía en un explosivo se almacena como energía potencial, liberada durante la detonación para transformarse en energía cinética o mecánica. La «Ley de Conservación de la Energía» dicta que en un sistema aislado, la cantidad total de energía permanece constante.
Parámetros Termoquímicos
Presión de Detonación (PD)
La presión de detonación es una medida crítica que refleja la potencia de los explosivos utilizados en una voladura. Se calcula utilizando la fórmula:
PD=ρe×VOD×W×10^−5
Donde:
- PD: Es la presión de detonación, expresada en kbar.
- ρe: Es la densidad del explosivo, medida en g/cm³.
- VOD: Es la velocidad de detonación del explosivo, en m/s.
- W: Es la velocidad de las partículas de los productos generados, en m/s.
Presión de Explosión
Es la presión de los gases producidos al detonar, mientras aún ocupan el volumen inicial del explosivo:
PE= 0.5×PD
Presión de Taladro
Es la presión ejercida por los gases sobre las paredes del taladro antes de la deformación de la roca. Se define como:
PT= PE×dc^2.5
Donde:
- PT: Presión de taladro.
- dc: Densidad de carguío.
Calor de Explosión
El calor de explosión es el calor liberado durante la reacción de un explosivo, calculado como:
Qc = −ΔHp
Donde: ΔHp es el cambio en la entalpía, que se obtiene del balance térmico de la reacción
Volumen de Explosión
Es el volumen que ocupan los gases producidos por un kilogramo de explosivo en condiciones normales, siendo 22.4 litros el volumen molar estándar.
Balance de Oxígeno
El balance de oxígeno se refiere a la cantidad de oxígeno presente en un explosivo para asegurar la completa oxidación de los componentes combustibles. Se expresa en porcentaje de exceso o deficiencia de oxígeno, con un margen de seguridad de +2 a +5.
Energía Disponible y Temperatura de Explosión
Energía Mínima Disponible
Es la cantidad de trabajo que pueden realizar los gases de la explosión cuando la presión es constante a 1 atm:
We= P×(V2−V1)
Temperatura de Explosión
Es la temperatura alcanzada durante el proceso de reacción explosiva, calculada como:
Te= Qkv / mc x ce
Donde:
- Te: Temperatura de explosión.
- QkvQ_{kv}Qkv: Calor total liberado.
- mcm_cmc: Masa de los productos.
- cec_ece: Calor específico.
La voladura es un proceso complejo que requiere un control preciso de numerosos factores para lograr una fragmentación eficiente y segura de la roca. El conocimiento profundo de los explosivos, las técnicas de detonación y las consideraciones termoquímicas es fundamental para optimizar los resultados y minimizar los riesgos asociados.
Referencias Bibliográficas:
- Murray, C. (2005). Explosives and Blasting Procedure Manual. Orica Explosives.
- Meyer, R., Köhler, J., & Homburg, A. (2007). Explosives. Wiley-VCH.
- Spathis, A. T., & Nielsen, B. S. (2001). Rock Blasting and Explosives Engineering. CRC Press.
