Aplicación de la Explosivos Basados en Emulsión Gasificada en Las Minas Perú

2. Voladura en Minería Superficial con Explosivos
Basados en Emulsión Gasificada:!
Una revision de los conceptos y prácticas en las minas del Peru
Romel Villanueva Luján
Lima, Noviembre 2015
UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO

3. 3
INTRODUCCIÓN
En Perú no se cuenta con fábricas de Nitrato de Amonio, que puedan sostener
la demanda de la minería, para sus operaciones de Voladura. Este material que es la
base de los explosivos basados en Anfo, se importa desde varios puntos alrededor del
mundo. La Emulsión Gasificada (EG) comenzó su aplicación en Perú, como una
alternativa para prescindir del nitrato de amonio grado Anfo, en un tiempo en que el
precio de esta materia alcanzo niveles muy altos.
Por el registro de patentes y pruebas en otros países, podemos ubicar el “nacimiento” de
la emulsión gasificada en torno al año 1997, en Australia, Estados Unidos y Rusia. Se
tiene documentos de pruebas en Peru desde el año 2003 y la primera publicación de su
uso estándar y masivo en una mina, es del año 2008. Desde entonces han pasado siete
años, y en la actualidad casi el 90% de las minas a cielo abierto emplean algún tipo de
explosivo basado en emulsión gasificada.
Se ha adquirido mucha experiencia, se ha investigado y se ha abierto mas posibilidades
para seguir innovando. No solo en torno a la emulsión gasificada y sus mezclas, si no
también nuevos explosivos que presentan propiedades “mejoradas” que dan solución a
los problemas que se observado a lo largo de esta experiencia.

4. 4
1950 1965 1970 1998 2005
ANFO
Anfo!
Pesado
Anfo !
Aluminizado
Emulsion!
Gasificada (EG)
EG!
Potenciada
El ANFO se diluye rápidamente en el agua y desde el principio su uso ha sido limitado a condiciones de estío o minas con poca presencia
de agua. Solo unos años después de la invención del ANFO se presento la solución de mezclarlo con “Emulsión Explosiva” la cual no se
diluye en el agua pero es muy poco sensible a la detonación. Las distintas proporciones de esta mezcla se conoce como “ANFO Pesado”
que tiene mayor resistencia al agua pero pierde sensitividad.
La “Emulsión Gasificada” surgió como una solución económica para muchas minas del Peru, este explosivo alcanza altas velocidades de
detonación, del orden de 5600 m/s y tiene alta resistencia al agua y la probabilidad de producir gases nitrosos de detonación es casi nula.
Para mejorar la Emulsión Gasificada se han hecho pruebas mezclándola con poliestireno para dar mas consistencia y menor contaminación
o segregación por las fracturas en la roca. El poliestireno mantiene baja la densidad pero disminuye significativamente su potencia y
sensibilidad. Otra alternativa ha sido adicionar un porcentaje, entre el 20% y 30% de nitrato de amonio de alta densidad (HDAN), que
ademas de mejorar la viscosidad de la mezcla, mejora el volumen de gases en la detonación
I ANTECEDENTES

5. 5
II LA EMULSION GASIFICADA
Cuando se mezcla la emulsión explosiva gasificable con una solución gasificante basada en nitrito de sodio, toma lugar una reacción
química que produce gas nitrógeno N
exotérmica y el calor liberado expande las burbujas de nitrógeno, tal como se observa en la figura. De acuerdo al grado de
homogeneización de la mezcla, a medida que transcurre el tiempo, la reacción se intensifica y la gasificación progresa formando burbujas
“vertiginosamente”, hasta alcanzar un cierto punto máximo.
Después, la producción de burbujas se hace muy lenta, casi imperceptible; sin embargo la reacción continua hasta que se consuma toda la
“solución gasificante”. El resultado de este proceso es una emulsión con burbujas, que se denomina Emulsión Gasificada, en adelante
llamaremos simplemente “EG”.
Mezcla:
Emulsión
Explosiva
+
Solución
Gasificante
NO2 + NH4 → N2 + H2O
Cortesia:
FAMESA Cortesia:
EXSA CIG-­‐UNT
NH4NO3 + NaNO2 —> NH4NO2 + NaNO3
NH4NO2 —> N2 + 2H2O

6. 6
2.1. CURVA DE GASIFICACIÓN
Una masa dada de emulsión, va aumentando su volumen debido a la formación de
burbujas. En consecuencia, la densidad va disminuyendo a medida que progresa la
reacción de gasificación. El tiempo de reacción, esta controlado por la proporción de
gasificante, formulación de la emulsión y la temperatura. Con estas condiciones de
contorno, mas o menos estandarizadas, se estima que el tiempo de reacción está en el
rango de 18 a 25 minutos.
Cortesia:
FAMESA
Cortesia:
EXSA
CIG-­‐UNT

7. 7
2.2. GASIFICANTE Y DENSIDAD
A medida que se incrementa la dosificación de gasificante, la reacción se prolonga y la formación de burbujas continua. Aumentando cada
vez el volumen y disminuyendo la densidad. La primeras regla de dedo es:
!
Regla de dedo: “A mayor gasificante, menor densidad”
!
La dosificación de gasificante es un porcentaje mínimo; entre el 0.2% y 1.5%, dependiendo de la concentración de nitrito de sodio en la
solución gasificante. Aunque, en laboratorio se puede establecer con precisión el porcentaje de gasificante; en la practica, puede variar
según el sistema mecanizado de mezcla de los camiones.
CIG-­‐UNT

8. 2.3. GASIFICACIÓN EN TERRENO
Cortesia:
ENAHI
En el campo, la mezcla y reacción química se realizan mediante un sistema mecanizado y automatizado que se conoce como
“modulo de gasificación”. El elemento principal del sistema es el “Mezclador Estático” que se muestra en la figura. Cuando la
emulsión pasa a través del mezclador entra en contacto con la solución gasificante. A la salida del mezclador estático, la
emulsión ya sale gasificada, “sensitivizada”, hacia los taladros de voladura.

9. 9

10. 10
Densidad Inicial (g/cm3): 1.36 1.15
Longitud de Carga (m) 8.2 9
Longitud de Taco (m) 6.8 6
2.4. DENSIDAD DE COPA
0:00
min. 0:20
min.
Momento inicial Momento final
Dentro del taladro, continua la proceso de gasificación. Después de 20 minutos se puede decir la que la emulsión o la mezcla se encuentra
sensitivizada lista para la detonación. Se toma una muestra y se mide su densidad en el momento que ha terminado la gasificación. A esta
densidad se le conoce como “Densidad de Copa” y representa a la parte superior de la columna explosiva.
La adecuada gasificación se debe comprobar con el aumento de volumen o longitud de la carga explosiva (Esponjamiento del explosivo).
!
Regla de dedo: “A mayor gasificante, mayor esponjamiento del explosivo dentro del taladro”
0.8
m

11. III. MEZLAS BASADAS EN EMULSION GASIFICADA
3.1. EG con Poliestireno
A la emulsión gasificada se le puede agravar una pequeña proporción de
poliestireno. Sin embargo, esta materia no aporta energía química pero si
aumenta la rigidez de la mezcla dentro del taladro. Su aplicación se
encuentra mayormente en rocas de alta a mediana volabilidad
3.2. EG con HDAN
Para mejorar su rigidez, la EG se puede mezclar con nitrato de amonio de
alta densidad, el cual también puede aportar energía y sobre todo gases,
en la reacción de detonación. Pudiendo aplicarse para un rango mayor de
volabilidad. El costo de esta mezcla puede ser relativamente menor,
debido a que no se emplea nitrato grado Anfo y puede prescindirse del
combustible diesel.
3.3. EG con ANFO
También es conocido como “ANFO Pesado Gasificado” (APG), donde la
emulsión explosiva es gasificable. Se ha comprobado que es una mezcla
explosiva de alto desempeño, en particular las mezclas 60/40 - 70/30 y
80/20. Sin embargo suele tener un mayor costo que las mezclas
anteriores.

12. El nitrato de amonio en prills:
Es un sólido no compresible.
La emulsión gasificable:
Es un liquido no compresible.
El nitrógeno en las burbujas:
Es un gas muy compresible.
Mayor Compresión
Mayor densidad
Las burbujas
de gas se
comprimen
IV. COMPRESIBILIDAD
masa “M”
volumen “V1”
V1 > V2
d1 < d2
volumen “V2”

13. 13
h1P1 ! h1 F(h)
0
h1
∫ .dh
4.1. GRADIENTE DE DENSIDADES
Mayor
Profundidad
Mayor
Presión
Mayor
Presión
Mayor
Densidad
Mayor
Profundidad
Mayor
Densidad
W!
(taco)
DENSIDAD
DE
COPA
Y
DENSIDAD
DE
FONDOLa columna explosiva se comprime por su propio
peso, y también por el peso del taco. Esto provoca
la reducción de tamaño de las burbujas o la
desaparición de las mismas. Por lo tanto, la
densidad va aumentando con la profundidad.

14. 14
4.2. CALIDAD DE LA EMULSION Y RETENCION DE BURBUJA
La formulación de la emulsión, PH y viscosidad, influyen
fuertemente en la retención de la burbuja.
!
La emulsión debe ser lo suficientemente acida para
favorecer la reacción con el nitrito gasificante, pero no tanto
para que esta reacción se tan rápida, y puedan formarse
grandes burbuja que no resistan su propia presión.
La viscosidad de la emulsión debe ser lo suficientemente
alta para retener las burbujas (tensión superficial) pero no
tanto para hacer difícil la reacción química en el mezclador
estático.
!
Ademas, con el tiempo, la emulsión pierde el rango optimo
de sus propiedades.
Perdida
de
longitud
por
perdida
de
burbujas
Formación
de
grandes
burbujas
Burbujas
pequeñas
y
uniformes
Cortesia:
FAMESA

15. 15
4.3. DENSIDAD DE FONDO
Densidad de copa
1.17 - 1.20 g/cm3
Menos burbujas
Mas burbujas
Densidad media
1.19 - 1.22 g/cm3
Densidad en el fondo
1.23 - 1.28 g/cm3
La VOD no es estable a
lo largo de la columna.
En el fondo del taladro, se puede alcanzar una densidad tan alta y cercana a la crítica, que puede
ser muy difícil iniciar la detonación.

16. 16
4.4. RANGO OPTIMO DE DENSIDAD
Densidad de copa
1.0 - 1.10 g/cm3
Densidad media
1.12 - 1.17 g/cm3
Densidad en el fondo
1.15 - 1.22 g/cm3
En función a la longitud de la columna explosiva, se determina el rango optimo para la densidad
de copa. Que garantice un buen arranque y que la onda de detonación avance sin perdidas a lo
largo del explosivo.

17. 17
V. CONTAMINACION

18. 18
5.1. SEPARADOR DE CARGA EXPLOSIVA
Se ha comprobado que, al separar la mezcla explosiva, de
tal manera que no tenga contacto con el taco, eliminando
la posibilidad de contaminación, se mejora la
fragmentación en la zona de taco, y se puede reducir la
longitud de carga.
Desaceleración
en
la
detonación
Cortesia:
CERREJON
COLOMBIA Cortesia:
COSMOS

19. 19
Una variedad de productos e ingenios se emplean para separar el explosivo del taco.
Desaceleración
en
la
detonación
Cortesia:
COSMOSCortesia:
YANACOCHA
PERU

20. 20
VI. ENERGIA DISPONIBLE - ENERGIA UTIL - TRABAJO UTIL
6.1. ENERGIA DISPONIBLE
La energía disponible o potencia
absoluta AWS, se calcula a partir de la
ecuación química, tomando las entalpias
de reacción. Esta energía depende de la
naturaleza química de la sustancia. Pero
como se vera mas adelante, no siempre
se transforma en energía útil.

21. 21
6.2. ENERGIA UTIL
Para calcular la energía útil se toma en cuenta la velocidad con la cual progresa la detonación, en el frente de
la onda de choque. Y se introduce el concepto de EFICIENCIA, de transformación de energía disponible en
energía útil para realizar trabajo en el medio rocoso.

22. V= 40 km/hr
V= 120 km/hr
Auto que impacta la pared a
alta velocidad
Camión que impacta la pared
a moderada velocidad
Mezclas basadas en Anfo:
Mayor energía contenida en su masa
(700-900 cal/g), pero que se libera a
baja velocidad de detonación
(4800-5000 m/s).
Solo un 56% de su energía es energía
útil para convertirse en trabajo.
Masa: 20 TM
Masa: 1.5 TM
Menor daño
Mayor daño
Mezclas basadas en Emulsión:
Menor energía contenida en su masa
(650 cal/g), pero que se libera a muy
alta velocidad de detonación (5700 m/
s).
Hasta un 74% de su energía es util
para convertirse en trabajo.
Por lo tanto, podemos abstraer la idea de velocidad de detonación, como una medida de la rapidez con la cual se libera la energía
contenida en la masa para perturbar el medio rocoso. Y los explosivos que tienen mayor VOD aunque tengan menos energía contenida,
tendrán mayor eficiencia.
CONCEPTO:
“EFICIENCIA
DE
LA
DETONACIÓN”

23. 23
Prueba del cilindro. Esen, 2005
6.3. DETERMINACIÓN EXPERIMENTAL DEL TRABAJO UTIL
ANFO
PESADOEG
Para comprobar experimentalmente el
trabajo útil. Se emplean métodos como:
- Expansion de Tubo
- MacroHess (cilindros de plomo)
Prueba de Macrohess. Cortesia FAMESA

24. 24
4.0 m. 4.5 m.
5.0 m. 5.5 m.
6.0 m.
Area de trabajo útil
(m2)
60
70
80
90
AP 30/70 AP 40/60 MEQ 73
La mezcla MEQ 73 realiza mayor trabajo
sobre el medio rocoso, en comparación al
Ap 30/70 y AP 40/60.
6.4. MODELO PREDICTIVO DEL TRABAJO UTIL

25. 25
4.5 m. 4.5 m. 4.5 m.
6.0 m. 6.0 m. 6.0 m.
Area de trabajo útil
(m2)
60
80
AP 45/55 AP 50/50 MEQ 73
84.884.884.8
La mezcla MEQ 73 realiza casi el mismo trabajo que
las mezclas AP 45/55 y AP 50/50.
Sin embargo, operativamente tiene mayores ventajas
por su resistencia al agua y bombeabilidad.

26. 26
6.5. SIMULACION DEL CONTORNO DE DAÑO

27. 27
VOD
EN
FUNCION
DE
LA
DENSIDAD
Para
varios
diámetros
VOD
(m/s)
4500
4875
5250
5625
6000
DENSIDAD
(g/cm3)
0.8 0.9 1 1.1 1.2
5
3/4"
6
1/8"
9
7/8"
12
1/4”
VII. TENDENCIA DE LA “VOD” EN RELACION A LA DENSIDAD DE COPA
En general, se ha observado a partir de las mediciones de campo, que la VOD aumenta con la
densidad y con el diámetro. Pero por encima de la densidad 1.05 g/cm3 los aumentos en la VOD
ya no son tan significativos. También se debe tomar en cuenta la comprensibilidad.

28. Densidad !
(g/cm 1.16 1.12 0.90
VOD !
(m/s)
5,650 5,400 5,100
VIII. RANGO DE DENSIDADES Y CARGUÍO SELECTIVO
Variando la densidad y por consiguiente la VOD, se puede hacer una entrega selectiva de la energía
según la volabilidad de la roca.

29. 29
IX. VOLUMEN DE GASES Y APILAMIENTO
Si parametrizamos el Timing (retardo entre taladros/filas), la secuencia y “Burden Relief”; en dos voladuras idénticas, una cargada
con EG y otra con AP 46, se observara diferencias en el apilamiento:
!
- Como se ha demostrado, la EG puede tener mayor trabajo útil y fragmentar mejor, en una granulometría mas fina.
- Sin embargo, al detonar la EG, no libera suficiente volumen de gases para separar los fragmentos. Dando lugar a la formación de
un apilamiento mas “apretado”.
- Este fenómeno puede ser favorable para reducir la probabilidad de ejecuciones (efecto cañón). Pero podría originar demoras en
excavación.
- Afortunadamente, esto se puede solucionar aplicando el concepto de “Burden Relief”, con la tecnología actual de iniciación
electrónica.
EG AP
/
APG
/EG+HDAN
Df = 3 Df = 3
Df = 2.8 Df = 2.5

30. DENSIDAD DE COPA ESPONJAMIENTO
X. CONTROLES DE CAMPO
Cortesia:
CUAJONE

31. 31
HETEROGENEIDAD
Foco en el cliente
Integridad
Excelencia
Compromiso
Confianza
75/25.
65/35 – 1.38 70/30 – 1.39
70/30 – 1.39 75/25 – 1.40
Foco en el cliente
Integridad
Excelencia
Compromiso
Confianza
como referencias las densidades de la M.E. QUANTEX
75/25.
65/35 – 1.38 70/30 – 1.39
PROPORCIÓN DE MEZCLA
Una desproporción (por descalibración
del camión mezclador) urde traer serias
consecuencias. Sobre todo cuando se
usa la mezcla con HDAN, ya que la
sensitividad proviene de la EG.
Si la mezcla es heterogénea se debe
detener el carguío, sobre todo cuando se
use mezcla con HDAN. Esto puede dar
lugar a detonación incompleta y
producir humos nitrosos.

32. 32
Agua:
Se
desplaza
hacia
arriba.
Mezcla
de
EG
Se
llena
desde
el
fondo
del
taladro
con
presión.
La
manguera
se
introduce
hasta
el
fondo
del
taladro.
La
boquilla
de
la
manguera
debe
estar
ligeramente
introducida
en
la
masa
explosiva
que
se
va
cargando.
Introducir
la
manguera
y
bombear
desde
el
fondo
del
taladro.
Si
no
se
introduce
la
manguera
y
solo
se
deja
caer
el
explosivo
dentro
del
taladro,
al
impactar
con
el
agua
de
fondo,
producida
turbulencias,
lo
cual
podría
desprender
el
prill
de
nitrato
pesado
de
su
matriz
de
emulsión.
CARGUÍO DE TALADROS CON AGUA

33. 33
Df3
Df2
Df1
1. Dentro del taladro se introducen sensores de
presión hidrostática, se transduce una señal
eléctrica haci un dispositivo grabador en
superficie.
2. El programa calcula la densidad en el nivel
del sensor, en función a la presión registrada.
3. El monitoreo de presión/densidad es continuo
hasta el momento del tapado y detonación.
DENSIDAD DENTRO DEL TALADRO
D3 > D2 > D3

34. 34
1. Anotar la profundidad real del taladro.
2. Anotar la cantidad exacta de carga que ingreso al taladro.
3. Medir el taco final después de completarse el
esponjamiento.
4. Calcular el volumen de carga.
5. Calcular la densidad por su definición matemática.
Df== M/V
Comprobación en campo y con las hojas de reporte de carguio …
ESTIMACIÓN DE LA DENSIDAD

35. 35
CONTROL DE LA TEMPERATURA
Las temperaturas extremas pueden afectar la gasificación. Por un lado, las temperaturas altas,
mayores a 50º C hace mas rápida la reacción y expande las burbujas. Y en temperaturas bajas
(-4ºC) se afecta la viscosidad y flujo laminar de la emulsión, haciendo muy difícil la mezcla y
reacción.

36. 36
XI. CONDICIONES PARA UNAADECUADA DETONACION
• Taladro bien formado
• Diametro normal
• Forma cilindrica
• Adecuado confinamiento
• Se cumple diseño de carga
• Taladro con ensanchamientos
• Diametro mayor
• No forma cilindrica
• Confinamiento irregular
• No se cumple diseño de carga
• Taladro con oquedales
• Hueco con diámetro mayor
• No forma cilindrica
• Confinamiento no adecuado
• Perdida de columna de carga

37. 37
Condiciones de terreno y operativas para una
adecuada detonación …
Confinamiento adecuado.
Sensitividad suficiente

38. 38
Condiciones de mezcla explosiva para una adecuada detonación …
- EG pura: Tiene alta probabilidad de detonar completamente y la formación de
humos nitros es casi improbable. Por ser una sustancia homogénea la onda de
detonación viaja sin obstáculos. Solo depende de la formulación. La sensitividad
esta en las burbujas de nitrógeno.
!
- EG con ANFO: Hay sensitividad tanto en EG (burbujas) como en el ANFO (Prill
poroso). La formación de humos nitrosos depende basicamente del Balance de
Oxigeno.
!
- EG con HDAN: Depende mucho de una adecuada gasificación (densidad).
Porque el HDAN no aporta sensitividad. Debe cuidarse mucho que haya una
adecuada proporción del nitrato de alta densidad, en la mayoría de casos
estudiados, no debe ser mayor a 30%.

39. 39
AGRADECIMIENTOS
Un especial agradecimiento a todas las personas, que con su trabajo en
campo en varias minas del Perú, han tenido una valiosa participación en el
desarrollo de los conocimientos y experiencias que aquí se han presentado.
Luego, de manera mas particular agradecemos a las personas que desde el
principio han confiado en el desarrollo y beneficios de los explosivos basados en
emulsión gasificada, como una alternativa en Perú. A los colegas Luis Cardenas,
Hugo Lolo, Mariano Yupanqui, Juan Carlos Vasquez, Paul Urruchi, Ronald Añazco,
Azucena Delgado, Mario Leon, Dino Yancachajlla, Richard Morillas, Jose Huaman,
Mauro Novoa y Julio Villon.
A los ingenieros de voladura que nos han dado las facilidades para hacer pruebas y
procesar información en sus operaciones: Joe Rodriguez, Jesus Cruces, Yorhinio
Leon, Ricardo Puerta, Telly Zuñiga y Cesar Ortiz.
A las empresas Famesa, Exsa y Enahi por desarrollar tecnología y motivar la
investigación e innovación en nuestro país.
Romel
Villanueva