Este documento explica los conceptos y criterios para entender el trabajo útil que realizan los explosivos basados en emulsión sensitivizada para fragmentar y mover la roca. Las mezclas basadas en emulsión tienen menor energía absoluta pero mayor velocidad de detonación que las mezclas de Anfo pesado, lo que resulta en mayor eficiencia de conversión de energía química en trabajo útil sobre la roca. Los modelos matemáticos existentes no consideran adecuadamente este concepto de eficiencia y por lo tanto no pueden predecir

1. TRABAJO ÚTIL DE LAS MEZCLAS EXPLOSIVAS
BASADAS EN EMULSION SENSITIVIZADA
UNA EXPLICACIÓN DE LOS RESULTADOS EN CAMPO
Romel Villanueva L.

2. Los ingenieros de voladura convergen en tres criterios principales al momento de evaluar el desempeño de los
explosivos para fragmentar la roca: la energía absoluta (AWS) como una medida de la energía disponible en la masa,
la velocidad de detonación (VOD) y resistencia al agua.
Las distintas mezclas de Anfo pesado (AP) tienen un amplio rango de AWS; desde 620 cal/g del AP 70/30 hasta 910
cal/g del Anfo. Sin embargo, las mezclas con menos energía como el AP 50/50 (804 cal/g) puede tener una mayor
VOD que el Anfo. Es decir, paras las mezclas de AP, la VOD tiene una relación inversa y no lineal con la energía.
Por otro lado, las mezclas basada en emulsión sensitivizada (mas del 50% de la mezcla es emulsión) tienen menos
AWS que las mezclas de AP, y sin embargo sus velocidades de detonación tienen un orden muy superior (hasta 6000
m/s) y su resistencia al agua es inherente. Como se vera mas adelante, los altos valores de VOD de las emulsiones
están relacionados a la sensitividad y homogeneidad de la sustancia, a través de la cual pasa la onda de choque con
pocos obstáculos.
!
Los modelos matemáticos mas usados para cuantificar la interacción explosivo - roca, nos dan una estimación del
trabajo útil (en términos de vibración) que hace el explosivo al detonar dentro de un taladro. Estos modelos, como el
de Holmberg & Persson, se han difundido al rededor del mundo cuando las mezclas mas usadas han sido las de Anfo
pesado. No obstante, cuando uno pretende usar estos modelos para un explosivo basado en emulsión (Por ejemplo
70% de emulsión y 30% de nitrato de amonio), se deben introducir al cálculo los valores de energía (620 cal/g) y
densidad (1.17 g/cm3), y con estos valores el modelo predice bajos niveles perturbación o menos distancia de
influencia que para el AP. Pero la experiencia con resultados elocuentes de fragmentación nos confirman el alto
desempeño del los explosivos basados en emulsión sensitivizada, por gasificación química o por micro esferas. La
necesidad de revisar los modelos matemáticos para explicar los resultados de campo esta entonces justificada.
!
En este momento, casi el 80% de las minas a tajo abierto en Perú usan mezclas explosivas basadas en emulsión
sensitivizada. Este trabajo pretende demostrar los conceptos y criterios que se deben tener en cuenta para entender el
trabajo útil que estos explosivos realizan para fragmentar y mover el medio rocoso.
PANORAMA

3. ENERGIA ABSOLUTA, VELOCIDAD DE DETONACION DE LAS MEZCLAS EXPLOSIVAS
AWS de las mezclas explosivas (cal/g)
685
770
855
940
ANFO AP28 AP 37 AP 46 AP 45/55 AP 55 AP 64 EG$HDAN APG 73
620
644
900
865
843.9
825
816
803.6
769.5
AP
EG & HDAN 70/30
APG 73
La energía absoluta AWS, depende de la naturaleza química de las sustancias que componen la mezcla explosiva. Se
calcula a partir de la ecuación de reacción y de las entalpias de descomposición y formación de cada sustancia.
Aunque para el Anfo el cálculo puede hacerse a mano, existe software comercial para calcular la energía absoluta de
los explosivos mas complejos. La AWS puede verse como la energía disponible por unidad de masa.
La gráfica 1 muestra que las mezclas de Anfo pesado, basadas en nitrato poroso, tienen mayor energía y que las
mezclas con mayor proporción de emulsión tienen menor AWS. Tradicionalmente, se ha usado el valor de la energía
en diversos cálculos de diseño de voladura. Pero como se vera mas adelante, se deben aplicar otros criterios en el
dominio de las emulsiones explosivas.
Mas Anfo Mas Emulsión
Grafica 1
AP: Anfo pesado
EG & HDAN: Emulsion gasificada y
nitrato de amonio de alta densidad.
APG 73: AP gasificado 70/30

4. La Velocidad de Detonación:
Para distintas mezclas de Anfo pesado, a medida que aumenta la proporción de emulsión y disminuye la de Anfo, se
reduce la sensitividad de la mezcla. Esto debido a que el nitrato de amonio poroso aporta con sensitividad y
formación de hotspots. Por tal razón, las mezclas de Anfo pesado con mas del 50% de emulsión tienen dificultad
para detonar y no desarrollan mayor VOD a lo largo de la columna explosiva. Sin embargo, las mezclas que tienen
mas emulsión (basadas en emulsión) se pueden sensitivizar por otros métodos como: químicamente por gasificación
o físicamente con microesferas.
Se a comprobado que mientras la mezcla no pierda su sentisitividad, puede aumentarse su densidad para tener
una correspondiente mayor VOD. Esto es posible hasta cierto punto, ya que las burbujas de sensitividad química
son fuertemente afectadas por la compresión del propio peso de la columna explosiva, y de esta manera se puede
perder sensitividad. Para las mezclas compresibles se maneja el concepto de gradiente de densidad; no obstante en
este documento siempre que se hable de densidad nos referimos a la densidad promedio dentro del taladro, con la
cual detona el explosivo.
Las gráficas 2 y 3 muestran la tendencia de aumento de la VOD con la densidad, para el Anfo pesado alcanza un
máximo y luego decrece. Pero para las mezclas basadas en emulsión, se pude observar una relación cuasi lineal
mientras se mantenga la sensitividad en toda la columna explosiva.
Grafica 2 Grafica 3
VOD DE MEZCLAS BASADAS EN EMULSION SENSITIVIZADA
-Diversos diámetros-
VOD(m/s)
4890
4980
5070
5160
5250
5340
5430
5520
5610
5700
Rango de densidades (g/cm3)
0.9
-­‐1.13 1.13
-­‐
1.17 1.17
-­‐
1.20 1.20
-­‐
1.25
9
7/8 10
5/8 12
1/4

5. Al inicio de la detonación, los gases se encuentran en un estado de baja expansión presionando sobre las paredes del
taladro; en este momento la presión de los gases hace un trabajo hidrodinámico sobre la roca circundante. En este
instante podemos estimar la presión de detonación y la energía de choque útil a partir de la VOD y la densidad del
explosivo antes de su descomposición (Cooper, 1996). Ver la siguiente ecuación.
Durante la detonación, el valor de “γ” va disminuyendo a medida que aumenta la expansión de los gases. Pero se
puede considerar γ=2 para el Anfo y γ=3.2 para las emulsiones puras (Cunningham,2002 ).
ENERGIA DE CHOQUE Y TRABAJO UTIL DE LAS MEZCLAS EXPLOSIVAS SOBRE LA ROCA
PD =
ρe.VOD2
γ +1
PD = VOD =
ρe = γ =
Ee =
X.PD
ρCJ
ρCJ ≈
4
3
ρe
Ee =
X =
ρCJ =
Ahora, podemos usar la presión de detonación para calcular la energía de choque útil contenida en el explosivo,
mediante la teoría hidrodinámica de la detonación (Cooper, 1996). También se puede usar la ecuación de estado
termodinámico de cada sustancia en el proceso de detonación, aunque los métodos y códigos están en pleno
desarrollo y no muy disponibles.
Presión de detonación (GPa)
Densidad de explosivo (g/cm3)
Velocidad de detonación (Km/s)
Ratio de calor especifico (2 a 3.2)
Energía útil contenida (MJ/Kg)
Ratio de conversión energia/trabajo
Densidad del explosivo en
el plano CJ
PLANO “CJ”
Figura 1

6. Trabajo útil para fragmentar y mover la roca.
Convertir la energía química potencial del explosivo en trabajo útil en condiciones de confinamiento de la carga,
depende del tipo de explosivo, de la eficiencia de la reacción química entre oxidantes y combustibles y del balance
de oxigeno. Las formulaciones de explosivos mas ideales, como es el caso de las emulsiones, convierten un gran
porcentaje de su energía química en altas presiones sobre la roca, en comparación con las formulaciones menos
ideales basadas en Anfo (Villanueva & Urruchi, 2009).
Por lo tanto, podemos asociar esta eficiencia de conversión con el trabo útil para fragmentar la roca (Fleetwood,
2012). Un método usual para examinar el trabajo útil de un explosivo dado, es la prueba de expansión de cilindro,
donde se determina el campo de energías de Guney, que representan muy bien la propagación de energía al medio
circundante; lo cual es imposible ver en las condiciones de detonación de un taladro. Muchos investigadores
consideran que este es el mejor método para estimar la energía y trabajo útil que se despliega sobre la roca (Esen,
2005).
Figura 2. Prueba del cilindro.
Esen, 2005
Figura 3. Expansion del cilindro.
Jackson, 2012

7. Nyberg, en el 203, investigó las energías de Gurney para el Anfo y para las emulsiones a granel; usando la prueba de
expansión del cilindro. En los resultados de las pruebas se pudo ver, que la energía de Gurney para las mezclas de
Anfo pesado varían entre 40-56 % y para las emulsiones gasificadas (Titán) varia entre 46-74%. Estos números son
muy similares a los resultados que se obtienen a partir de los calores de reacción, que publico Lopez (2002) para los
“watergel slurry” 73.2% y para el Anfo 66.5%.
Los trabajos de Nyberg (2003), también sugieren que la conversión de la energía química (AWS) en trabajo útil de
las emulsiones a granel, tienen una fuerte dependencia de la densidad de la misma. Luego, esta teoría fue ampliada
para mezclas, y se pudo estimar los ratios de Gurney (El valor de X en la ecuación 2) para cada proporción
(Villaescusa, 2011).
!
Por lo tanto, “X” es el ratio de transformación de energía útil en trabajo útil (o eficiencia). La función para obtener
el valor de X, en función de la densidad es:
X = 0.68 − 0.21ρe
X = 0.20 + 0.37ρe
ENERGÍA Y TRABAJO ÚTIL DE LAS MEZCLAS EXPLOSIVAS SOBRE LA ROCA
Para mezclas explosivas basadas en Anfo:
Alta heterogeneidad, baja sensitividad, baja
VOD.
Para mezclas explosivas basadas en emulsión;
químicamente sensitivizada por gasificación o
físicamente con microesferas: Alta homogeneidad,
alta sensitividad, alta VOD.

8. EJEMPLO DE CALCULO PARA COMPARAR DOS MEZCLAS USUALES
AP 40/60 EG&HDAN
70/30
Velocidad de detonación VOD 5.5 5.6 Km/s
Densidad del explosivo justo
antes de la detonación
ρ 1.25 1.17 g/cm3
Densidad del explosivo en el
plano CJ 1.67 1.56 g/cm3
Ratio de calor específico
según Cunnigham
γ 2.5 3.2
Presion de detonación. 10.8 8.7 GPa
Ratio de Gurney 0.4175 0.6329 %
Energia de choque util 2.7 3.5 MJ/Kg
ρCJ ≈
4
3
ρe
PD =
ρe.VOD2
γ +1
X = 0.68 − 0.21ρe
X = 0.20 + 0.37ρe
Ee =
X.PD
ρCJ
Como podemos comprobar, la mezcla EG&HDAN 70/30 * resulta tener un 30% mas energía útil contenida que el
Anfo pesado AP 40/60.
* EG&HDAN 70/30: Mezcla de 70% de emulsion gasificada y 30% de nitrato e amonio de alta densidad

9. CONCEPTO: EFICIENCIA DE LA DETONACIÓN
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.
Figura 4

10. Hasta este punto, solo se ha explicado el concepto y cálculo de la energía de choque útil contenida y como se
puede estimar el trabajo útil mediante la prueba de expansión del cilindro. Sin embargo es bien conocido por los
ingenieros de voladura que el trabajo útil depende fuertemente de la naturaleza de la roca. Esto es, para las mismas
condiciones de explosivo (Energía, VOD, etc), en un tipo de roca se podrá realizar mas trabajo que en otras.
!
Los modelos matemáticos para predecir la perturbación del medio rocoso, ante la detonación de un explosivo; que se
vienen usando ampliamente y se incorporan en softwares como el JKSimblast, requieren ingresar características de
la roca y propiedades de los explosivos. Sin embargo no consideran el concepto de eficiencia para realizar trabajo
útil. Por tal motivo, aún no son adecuados para simular el desempeño de mezclas basadas en emulsión sensitivizada.
Urruchi y Villanueva propusieron en el 2009, adoptar un modelo matemático para explicar el desempeño de los
explosivos basados en emulsión gasificada; de cara a su creciente uso en las minas a tajo abierto del Perú.
!
Tomando como base los estudios que el Dr. Neyman realizó desde 1998 y otros aportes de origen ruso; Villanueva
(2014) incluyo el concepto de eficiencia al modelo de detonación basado en la hidrodinámica que esta recibiendo
mucha aceptación por los investigadores; por su simplicidad conceptual y por su facilidad para ajustar los resultados
de campo. Los trabajos de Hustrulid y Tesarik han sido la base, para luego incluir el concepto de eficiencia y
programar el formulismo en una hoja de calculo. Y de esta manera producir una representación visual del alcance de
perturbación (Villanueva, 2015). Las predicciones del modelo han sido confirmadas con suficiente precisión
mediante los resultados en campo, en distintas minas a tajo abierto del Perú, donde se han analizado los resultados
de granulometría, daño y vibraciones.
!
En este documento no se presentará el modelo matemático (Ver bibliografía y trabajos del mismo autor). Pero sí se
presenta el resultado de hacer simulaciones comparativas entre la mezcla basada en emulsión EG&HDAA 70/30 y
todas las series de Anfo pesado.
MODELO MATEMÁTICO PARA EXPLICAR EL DESEMPEÑO DE LAS
MEZCLAS BASADAS EN EMULSIÓN

11. ANALISIS COMPARATIVO ENTRE EL TRABAJO UTIL DE LA MEZCLA
EG&HDAN 70/30 Y EL ANFO PESADO
En las siguientes paginas se muestra el resultado gráfico del modelo. Si ya hemos demostrado por cálculo, que las
mezclas basadas en emulsión sensitivizada tienen mayor energía útil contenida. Solo nos queda demostrar, que
aplicando el concepto de eficiencia podemos predecir el trabajo útil sobre el medio rocoso.
!
Para esto, se debe introducir otra idea, la de “distancia de perturbación o influencia” (algo similar a los halos de
energía en otros modelos). El modelo que usamos aquí calcula y gráfica una elipse de perturbación, en torno a la
columna explosiva, y vemos que las elipses son diferentes para todos los explosivos que se han simulado. Por lo
tanto, podemos usar el área de la elipse como una medida del alcance de la perturbación y también podemos usar los
niveles de vibración calculados (VPP) como una medida de intensidad de perturbación.
!
Ademas, podemos establecer un “criterio de umbral”. Así, si las partículas de roca vibran por encima de 5000 mm/s
se tendrá creación de nuevas fracturas. Por lo tanto, podemos trazar una elipse en torno a este valor y al área interna
de la elipse la llamaremos “área de trabajo útil”, que es lo finalmente de compara para cada mezcla.

12. 3.0 m. 3.5 m. 4.5 m.
4.5 m.
5.0 m.
6.0 m.
Area de trabajo útil
(m2)
40
52.5
65
77.5
90
ANFO AP 20/80 EG&HDAN 70/30
Elipse de
influencia
ANFO
AP
20/80
EG&HDAN
70/30
Semi eje a 4.50 5.00 6.00
Semi eje b 3.00 3.50 4.50
Area S 42.41 54.98 84.82
La mezcla EG&HDAN 70/30
realiza mayor trabajo sobre el
medio rocoso, en comparación al
ANFO y AP 20/80,
ANFO AP 20/80 EG&HDAN 70/30

13. 4.0 m. 4.5 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 EG&HDAN 70/30
Elipse de
influencia
AP
30/70
AP
40/60
EG&HDAN
70/30
Semi eje a 5.00 5.50 6.00
Semi eje b 4.00 4.50 4.50
Area S 62.83 77.75 84.82
La mezcla EG&HDAN 70/30
realiza mayor trabajo sobre el
medio rocoso, en comparación al
Ap 30/70 y AP 40/60.
AP 30/70 AP 40/60 EG&HDAN 70/30

14. 4.5 m. 4.5 m. 4.5 m.
6.0 m. 6.0 m. 6.0 m.
Area de trabajo útil
(m2)
60
70
80
90
AP 45/55 AP 50/50 EG&HDAN 70/30
Elipse de
influencia
AP
45/55
AP
50/50
EG&HDAN
70/30
Semi eje a 6.00 6.00 6.00
Semi eje b 4.50 4.50 4.50
Area S 84.82 84.82 84.82
La mezcla EG&HDAN 70/30 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.
AP 45/55 AP 50/50 EG&HDAN 70/30

15. 3.5 m. 3.5 m. 4.5 m.
5.0 m. 5.0 m.
6.0 m.
Area de trabajo útil
(m)
50
63.333
76.667
90
AP 60/40 AP 70/30 EG&HDAN 70/30
Elipse de
influencia
AP
60/40
AP
70/30
EG&HDAN
70/30
Semi eje a 5.00 5.00 6.00
Semi eje b 3.50 3.50 4.50
Area S 54.98 54.98 84.82
La mezcla EG&HDAN 70/30
realiza mayor trabajo sobre el
medio rocoso, en comparación al
AP 60/40 y AP 70/30.
AP 60/40 AP 70/30 EG&HDAN 70/30

16. 4.5 m. 4.0 m. 4.5 m.
Area de trabajo útil
(m)
60
70
80
90
APG 73 APG 82 EG&HDAN 70/30
5.5 m. 5.5 m.
6.0 m.
Elipse de
influencia
APG
73
APG 82 EG&HDAN
70/30
Semi eje a 5.50 5.50 6.00
Semi eje b 4.50 4.00 4.50
Area S 77.75 69.12 84.82
La mezcla EG&HDAN 70/30
realiza solo un poco mas trabajo
que el Anfo pesado gasificado
APG 73 y APG 82.
!
Sin embargo, puede tener ventajas
económicas por el nitrato HDAN,
respecto al poroso que se usa en el
APG.
APG 73 APG 82 EG&HDAN 70/30

17. CONCLUSIONES
✤ A la luz de las investigaciones y con el desarrollo de la ingeniería de explosivos, los ingenieros de voladura deben
incluir el concepto de trabajo útil a la hora de medir y comparar el desempeño de los explosivos.
✤ Los actuales modelos implementados en los softwares de diseño y simulación mas comunes, no son adecuados
para predecir el desempeño de la mezcla basada en emulsión sensitivizada.
✤ Mediante un modelo matemático basado en la hidrodinámica que es usado por muchos investigadores al rededor
del mundo, se ha demostrado que la mezcla basada en emulsión sensitivizada despliega mayor trabajo útil que la
mayoría de mezclas AP.
✤ En aspectos operativos (resistencia al agua, bombeabilidad, etc) las mezclas basadas en emulsión sensitivizada
tienen grandes ventajas sobre las mezclas de AP; que algunas como la AP 50/50 podrían realizar el mismo trabajo
útil pero son muy poco practicas en condiciones de humedad.
✤ El uso de un modelo predictivo del trabajo útil traerá beneficios en el diseño y optimización de la voladura
(Burden, espaciamiento, etc.)
✤ La gran cantidad de información y análisis de resultados que provienen de las operaciones de voladura en mina,
han respaldado las conclusiones finales de este trabajo. Sin embargo, las pruebas a escala y modelos numéricos ha
cumplido un importante papel en el entendimiento y predicción de la voladura con estos explosivos.

18. BIBLIOGRAFIA
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Kuznetsov, V.M. (1974) Hydrodynamic calculation for ejection blasting by long charges. Soviet Mining Science.
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Villanueva R. (2014). Uso del Modelo Basado en la Hidrodinámica para Comprender la Naturaleza y Desempeño de los Explosivos
Basados en Emulsión. Instituto de Investigación en Minería y Geociencias de la Universidad Nacional de Trujillo. Perú.