Energía de los explosivos
ENERGÍA DE LOS EXPLOSIVOS
La energía de un explosivo es la cantidad de energía que se libera durante la detonación de este y depende de varios factores, como la composición química del explosivo, la velocidad de detonación, la densidad de encartuchado y la presión de detonación. La composición química del explosivo determina la cantidad de energía que se puede liberar durante la detonación. La velocidad de detonación está relacionada con la rapidez con la que se produce la reacción química durante la detonación, y la densidad de encartuchado está relacionada con la cantidad de explosivo que se puede colocar en un espacio determinado. La presión de detonación está relacionada con la cantidad de energía que se libera durante la detonación y la capacidad del explosivo para realizar trabajo. Estos factores están interrelacionados y afectan la energía total del explosivo.
Proceso de detonación de una mezcla explosiva. Fuente: EXSA
Existen dos tipos de energía asociados a los explosivos: la energía de detonación y la energía de combustión.
La energía de detonación es la cantidad de energía liberada por unidad de masa de explosivo durante la detonación. Es una medida importante de la potencia de un explosivo, ya que cuanto mayor sea la energía de detonación, mayor será la cantidad de energía liberada durante la detonación y, por lo tanto, mayor será la capacidad del explosivo para realizar trabajo. La energía de detonación está relacionada con la velocidad de detonación y la densidad de encartuchado.
La energía de combustión se libera, como su nombre lo dice, durante la combustión, en la cual la sustancia actúa con un oxidante y por medio de la combustión libera energía en forma de luz y calor. En el contexto de los explosivos, la energía de combustión se utiliza para determinar la cantidad de energía liberada durante la detonación del explosivo. Esta energía se puede calcular utilizando la energía interna de formación de los productos de la combustión y la energía interna de formación del explosivo.
Hagan (1997) estima que el 15% de la energía total generada en la voladura es aprovechada para el fracturamiento y desplazamiento de la roca y Rscheff y Goemans (1977) establecen que entre el 5% y 50% , dependiendo del tipo de explosivo. La energía de la mezcla explosiva es liberada en la roca circundante en dos formas diferentes: Presión de detonación (energía de tensión) que ejerce una fuerza de fragmentación sobre la roca y la Presión de taladro (energía de burbuja) que se debe a la formación de gases y es causa principal del desplazamiento de la masa rocosa. La energía de burbuja puede ser calculada con la siguiente ecuación:
Donde:
Eb = Energía de burbuja,
Ph = Presión hidrostática,
t = Periodo de tiempo entre la pulsación del choque y la primera implosión de la burbuja,
ρw = densidad del agua
Determinación de la energía
La energía puede ser medida o calculada para determinar el rendimiento termoquímico de la mezcla. Para la medición de la energía se realiza con los siguientes métodos:
• Aplastamiento de arena.- Se observa el nivel de compactación de la arena tras la detonación de un explosivo.
• Método Trauzl.- Consiste en rellenar una cavidad cilíndrica en un bloque de plomo con 10 gramos de explosivo, y anotar la variación de volumen que ha producido la detonación.
• Movimiento de reacción de un mortero balístico.- Consiste en comparar la propulsión de un mortero de acero montado sobre un péndulo balístico por efecto de los gases, cuando se hace detonar una carga de 10 gramos de explosivo. Es un método válido para los explosivos tipo dinamita, pero no se puede utilizar con explosivos como el ANFO debido al pequeño diámetro del recipiente, del orden de 20 mm. Sólo se puede usar para explosivos que son sensibles a detonadores y con tiempo de reacción pequeños.
• Aplastamiento de un cilindro. - Establece la fuerza explosiva en función de la capacidad de fragmentación de la roca, producida por el aplastamiento de una carga sobre un molde cilíndrico de metal.
• Método de la placa. - Sobre una placa de acero o aluminio se detona una carga cilíndrica del explosivo que se quiere utilizar. La deformación que se produce en la placa nos da el valor de la potencia explosiva.
• Método de la potencia sísmica. - Consiste en hacer explotar una carga en un medio rocoso isótropo y registrar la perturbación producida a una cierta distancia. Se usa el explosivo ANFO como patrón. La variación de las vibraciones generadas es igual a la energía de explosión elevada a 2/3.
• Método del cráter. -Se encarga de determinar la profundidad crítica (la carga de explosivo rompe la roca superficialmente) y óptima (produce el cráter de mayor volumen). Se usan cargas esféricas, concentradas o en forma de cilindro, siempre que no sea muy espigado. El problema, es la dificultad de tener rocas homogéneas, así como la necesidad de realizar 19 una gran cantidad de disparos, ya que el volumen máximo se encuentra entre el caso en el que la carga es muy superficial (la mayor parte de la energía se transmite a la atmósfera) y cuando la carga está muy profunda (toda la energía se transmite a la roca, fragmentándola)
Unos de los métodos más conocidos y utilizados en el ensayo de burbuja bajo el agua:
Esquema para la medición de la energía del explosivo bajo el agua. Fuente: EXSA
Para el cálculo de la energía se utilizan técnicas basadas en la termodinámica, siguiendo proceso químicos y matemáticos, medidos en kcal/kg o MJ/kg. Asumiendo que la eficiencia del explosivo es del 100%
Potencia de los explosivos
La potencia es la medida de la cantidad de energía de un explosivo. Se expresa como potencia absoluta por peso (AWS) y potencia absoluta por volumen (ABS). También se puede expresar como una comparación de la energía de un explosivo respecto al del ANFO, el cual es tomado como el 100%, obteniéndose la potencia relativa por peso o la potencia relativa por volumen.
Eficiencia de los explosivos
Este factor es un índice del grado de aprovechamiento práctico de la energía liberada por una mezcla explosiva, en relación a los parámetros termodinámicos calculados en forma teórica.
La eficiencia total es una función de muchas variables, algunas de las cuales son internas del explosivo por su formulación química y algunas de las cuales son externas y parte del diseño de la voladura o condiciones del lugar. Las variables externas que pueden afectar la eficiencia total de un explosivo incluyen, a la eficiencia de la iniciación, condiciones de agua, diámetro de carga, longitud de carga, grado de confinamiento, temperatura, efectos de la detonación de cargas explosivas adyacentes, etc.
Mediciones efectuadas en los Estados Unidos permiten obtener los siguientes rangos de factores de eficiencia para las distintas familias de explosivos:
Factor energía
El factor de energía es un parámetro que nos permite determinar la cantidad de energía usada para fragmentar una tonelada de mineral o un metro cúbico de material estéril (en el movimiento de tierras), y se puede usar la siguiente relación:
Determinación de las principales ecuaciones para los cálculos termodinámicos.
1. Ecuación de la presión de detonación:
Ames (2018) sostienes que “el frente de la onda avanza hacia el explosivo con una velocidad constante D. El explosivo no detonado fluye hacia el frente de choque AA´ con una velocidad constante U = -D. La presión, temperatura, densidad y energía interna por unidad de masa son P1, T1, δ1, E1 en todos los puntos al lado derecho de AA´. El frente de la onda es una discontinuidad en comparación a los cambios que ocurren detrás de él. Por lo tanto, en AA´ estos valores cambian a los valores P2, T2, δ2, E2. Estos aún pueden cambiar más tarde de etapa (explosión)”. “La velocidad aparente de la masa que va dejando el frente es -(D-Up) donde Up es la velocidad de la partícula (velocidad de masa) en la zona entre AA´, BB´, relativo a las coordenadas fijadas” Ames (2008).
P2=δ1 (D2/4)
2. Ecuación de Rankine-Hugoniot: Ecuación que analiza la conservación de la energía.
E2 - E1 = ½ (P1+P2) (V2 - V1)
3. Hipótesis de Chapman-Jouguet: Dice que la velocidad de detonación es igual a la velocidad del sonido en el lugar sumado la velocidad de la partícula en el estado de detonación.
VODCJ = C + Up
4. Ecuación BKW:
“La correcta descripción de los gases de detonación es uno de los puntos clave en el cálculo termodinámico de explosivos. La ecuación de estado (EDE) para gases Becker-Kistiakowsky- Wilson (BKW) tiene una larga y venerable historia en el campo de los explosivos” Ames (2008).
Donde β es una constante, y X:
vg es el volumen molar y α y θ constantes. K es un Covolumen, definido como:
K = k ∑ xi ki
Las ecuaciones antes mencionadas permiten el cálculo de los parámetros de la detonación en los cálculos termodinámicos. El cálculo de los parámetros termodinámicos juega un papel importante en la formulación de un explosivo, ya que al tener una estimación correcta de los mismos, podemos realizar un material con energía específica, composición efectiva y estable para ser utilizado.
Al estimarse el factor de potencia en los explosivos, destacamos la importancia de estimar la velocidad de detonación y la energía de explosivo, para optimizar el desempeño de estos materiales en las distintas voladuras
BIBLIOGRAFÍA
• Diseño de las mallas de perforación y voladura utilizando la energía producida por las mezclas explosivas. (2008).
• EXSA Soluciones. Manual Práctico de Voladura, Capítulo II, pags 17-96.
• Manuel, R., Mora, L., Vera, M., Juan, C., & Monreal, S. (s/f). TRABAJO FIN DE GRADO. Uc3m.es. Recuperado el 14 de agosto de 2023, de https://e-archivo.uc3m.es/bitstream/handle/10016/26850/TFG_Ruben-Manuel_Lebron_Mora.pdf?sequence=1&isAllowed=y
• Ramón, R. P. Á. N. (s/f). Bloque II. Los explosivos. Unican.es. Recuperado el 14 de agosto de 2023, de https://ocw.unican.es/pluginfile.php/2194/course/section/2056/BLOQUE-II.pdf
• Doctoral, T. (s/f). EVALUACIÓN DE LA ENERGÍA DE LOS EXPLOSIVOS MEDIANTE MODELOS TERMODINÁMICOS DE DETONACIÓN. Upm.es. Recuperado el 14 de agosto de 2023, de https://oa.upm.es/82/1/6200307.pdf
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