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1 Junio 2014 Instituto de Investigación de Minería y Geociencias
RESUMEN
El presente proyecto tiene como principal objetivo la fabricación de un explosivo de bajo
costo, para uso de corte y agrietamiento en las rocas, para lo cual realizamos un estudio
químico y físico del explosivo con las proporciones bases de KClO3: 62%; S: 15%; Al: 23%,
analizando y variando las cantidades de cada componente que lo conforma, siguiendo un
patrón de distribución en relación al balance de Oxigeno hallado químicamente, logrando
mejorar el perfomance del explosivo. Hemos diseñado y construido un equipo al cual
llamamos Bomba de Presión, capaz de medir la presión de detonación, gracias al sensor
MPS-3110 instalado en la parte interior del contenedor de acero de 0.625pulg de espesor,
y a la programación requerida para el tratamiento de la señal, iniciando la carga explosiva
eléctricamente. Los datos obtenidos de los diferentes ensayos fueron almacenados y
tratados en el Microsoft Excel para luego hallar empíricamente la Velocidad de
Detonación. La densidad y la sensibilidad de nuestro explosivo fueron medidas en el
laboratorio de fisicoquímica de la Universidad Nacional de Trujillo, y finalmente
ensayamos en bloques de concreto de 30cm x 30xm, variando la carga explosiva de la
mejor mezcla seleccionada, escogiendo la mejor cantidad de carga explosiva para cortar
y agrietar un volumen de concreto determinado.
Palabra clave: Presión de Detonación, Densidad, Velocidad de detonación, Corte y
Agrietamiento.
UNIVERSIDAD NACIONAL
DE TRUJILLO
Facultad de Ingeniería Escuela Académica Profesional de
Ingeniería de Minas
CREACION DE UN EXPLOSIVO
DE BAJO COSTO PARA CORTE
Y AGRIETAMIENTO EN LAS
ROCAS
1.-Paredes V., López L., Zavaleta E., Serin F.,
Melquiades R., Portal K., Zelada C., Custodio
R.
2.- Romel Villanueva
2 Junio 2014 Instituto de Investigación de Minería y Geociencias
INTRODUCCION
Cada tipo de explosivo tiene
características propias definidas por sus
propiedades, y para el mismo tipo de
explosivo las características pueden
variar dependiendo del fabricante; el
conocimiento de dichas propiedades es
un factor muy importante en el diseño
de voladura y para ello realizamos
estudios a un explosivo base tratando de
modificar sus características e
ingresarlo al campo de la Minería
Artesanal.
Nuestro explosivo esta compuesto de
dos sustancias reductoras y una
oxidante, que iniciadas debidamente
mediante una mecha y últimamente
implementado un detonador eléctrico,
darán lugar a una reacción exotérmica
muy rápida, la cual generara una serie de
productos gaseosos a alta temperatura,
químicamente más estables y que
ocuparan un mayor volumen, logrando
el corte y agrietamiento de la roca.
Para la fabricación de nuestro
explosivo, tuvimos la asesoría principal
del ing. Fisicoquímico Ernesto Buong,
ya que es muy riesgoso realizar estos
ensayos en campo, fue entonces como
adquirimos los conocimientos base las
cuales se convirtieron en punto de
partida para la investigación.
Analizamos empíricamente la
termoquímica del explosivo a través de
la reacción que lo gobierna, obteniendo
un balance de oxigeno de -6,95 la cual
nos indica que hay deficiencia de
oxígeno y que tenemos que aumentar la
cantidad de clorato de potasio en nuestra
mezcla, de esta manera fuimos afinando
proporciones hasta obtener el mejor
resultado a partir de un patrón de
distribución alineados al aumento de
nuestro oxidante y para ello hicimos uso
de nuestra bomba de presión,
relacionando directamente la presión de
detonación con la mejor proporción de
gases liberados dentro del contenedor.
Luego pasamos a calcular
empíricamente la velocidad de
detonación que viaja por el explosivo, y
este va depender de la densidad, de los
componentes usados, del tamaño de las
partículas dentro de la mezcla, del
diámetro de la carga o del
confinamiento al que se le lo someta.
Previamente medida la densidad de la
nueva mezcla explosiva, pasamos a
ensayar en bloques de concreto de 30cm
x 30cm, en donde los taladros estaban
dispuestos a una cierta distancia uno de
otro, apoyados del principio de la
mínima acción para generar corte y
agrietamiento en el concreto.
3 Junio 2014 Instituto de Investigación de Minería y Geociencias
Actualmente estamos analizando la
fabricación de un equipo de alta gama
capaz de medir la velocidad de
detonación del Explosivo en
milisegundos y estamos realizando
ensayos para determinar la resistencia al
agua y la cantidad de gases tóxicos que
libera el explosivo.
OBJETIVO
Fabricar un explosivo de bajo costo,
para uso de corte y agrietamiento en las
rocas.
Objetivos específicos
Conocer el procedimiento seguro de la
preparación de una mezcla explosiva.
Conocer la reacción química que
gobierna a nuestro explosivo.
Calcular el balance de oxígeno y el calor
que libera la reacción de la mezcla
explosiva.
Reemplazar la mecha por un detonador
eléctrico.
Determinar la mejor presión de
detonación en el equipo fabricado por el
grupo.
Calcular la velocidad de detonación
empíricamente.
Determinar la densidad de la nueva
mezcla.
Conocer la interacción explosivo -
concreto, preparándonos para más
adelante realizar ensayos con rocas y
optimizar nuestra carga explosiva.
MATERIALES Y METODOS
Para el explosivo: 100 gr
Clorato de Potasio (KClO3):62 gr
Azufre (S): 15 gr
Aluminio (Al): 23 gr
Cartuchos De diámetros
Arcilla
Punzón
Yeso: CaSO4·2H2O
Mecha: pólvora (75% nitrato de
potasio +10% azufre+ 15%carbón) +
goma de sapote
Para la bomba de presión:
Recipiente de espesor de 0.625pulg.
1 sensor MPS-3110. .
2 bridas metálicas.
1 capa de asbesto de 1/8.
1 válvula de escape.
Un sistema de iniciación eléctrica
(chispeador electrónico)
Para la medición de la densidad
1 probeta.
1 balanza electrónica.
20gr de la nueva mezcla
Agua destilada
Metodología
Al principio necesitábamos empaparnos
de la teoría necesaria para poder
determinar los componentes y las
4 Junio 2014 Instituto de Investigación de Minería y Geociencias
proporciones de cada uno de ellos que
utilizaríamos para fabricar el explosivo
y gracias a la ayuda de señores
pirotécnicos obtuvimos nuestras
primeras propuestas las cuales se
convirtieron poco a poco en objetivos
del proyecto. Partimos con las
proporciones que se utiliza comúnmente
en pirotecnia y fue así que empezamos a
ensayar en campo probando esta mezcla
al principio al aire libre y observar el
halo de calor que este producía,
captando diferentes imágenes a
diferentes distancias, paralelo a ello
empezamos a interactuar directamente
con los componentes del explosivo,
mezclándolo nosotros mismos y
siguiendo un procedimiento seguro para
evitar accidentes mayores.
Pesar los componentes a utilizar:
Primero pesamos los componentes en
una balanza electrónica y la separamos
en diferentes empaques con una etiqueta
indicando su peso respectivo. Las
proporciones de cada uno de los
componentes del explosivo fueron
multiplicadas por 5, de manera que
podamos utilizarlo para varios
cartuchos y los componentes de la
pólvora fueron multiplicados por 2.
Preparación de la mezcla explosiva:
Mezclamos el azufre con el clorato de
potasio en un recipiente totalmente
seco, para luego poder cernir con la
ayuda de una tela llamada olgasmo, de
esta manera conseguiremos
homogenizar la granulometría de la
mezcla y conseguir una reacción más
violenta durante la detonación.
Finalmente agregamos el aluminio, y a
este no será necesario cernir ya que
viene de fábrica con una granulometría
estándar para poder mezclar
directamente con los demás
componentes. Una vez agregado el
aluminio, mezclamos cautelosamente
evitando cualquier tipo de contacto con
agua y la fricción excesiva que podría
provocar que la mezcla explosiva se
inicie causando un accidente fatal.
Fig. 01: 310gr de
Clorato de
Potasio
Fig. 02: 75gr de
Azufre
Fig. 03: 115gr de
Aluminio
Fig. 04: 31gr de
Carbón
Fig. 06: 150gr de
Nitrato de
Fig. 05: 20gr de
Azufre
5 Junio 2014 Instituto de Investigación de Minería y Geociencias
Encartuchado: Obtenida nuestra
mezcla explosiva, la colocamos en un
lugar libre de calor y de humedad,
entonces procedemos a su
encartuchado, para eso utilizamos un
primer cartucho de Longitud: 122.7mm,
Diámetro externo: 21.8mm, Diámetro
interno: 13.5mm y un segundo cartucho
de Longitud: 132.5mm, Diámetro
externo: 19.5mm, Diámetro interno:
12.5mm. En una de las secciones del
cartucho colocamos el punzón de metal
y vertimos arcilla por la otra sección
para poder retacarlo dejando un
pequeño agujero después de retirar el
punzón, de manera que por ese orificio
pueda ingresar el fulminante.
Ingresamos la mecha 4cm dentro por el
orificio dejado por el punzón, para luego
cargar con la mezcla explosiva hasta
unos 4cm antes de llenar el cartucho,
confinamos la mezcla sellando por la
sección libre con yeso. Finalmente nos
aseguramos que el yeso provoque el
confinamiento necesario, presionando
con una varilla de diámetro menor al
diámetro del cartucho.
Determinación de la Reacción Química
del explosivo, Balance de Oxigeno y
Calor de reacción: Revisando
bibliografía de estequiometria química y
de las reacciones de compuestos
inorgánicos, concluimos en la siguiente
reacción química.
Fig. 07: Mezcla de
Azufre con Clorato
de potasio
Fig. 08:
Homogenización de
la granulometría con
el olgasmo
Fig. 09: Adición
del Aluminio para
su posterior
mezcla
Proporciones: KClO3: 62%; S: 15%; Al: 23%
Cartucho de cartón Orificio hecho
por el punzón
Fig. 10: Cartucho de cartón sin cargar
Fig. 11: Corte longitudinal al cartucho
Fig. 12: Retacado de
la arcilla
Fig. 13: Cartucho cargado
6 Junio 2014 Instituto de Investigación de Minería y Geociencias
3KClO3 + 3S + 2Al -------- 3KCl +Al2O3
+3SO2 + CALOR
Oxidante: KClO3
Reductores: S y Al
Calculo de los átomos gramos de los
compuestos del explosivo.
Para el KClO3
𝐾𝑜 = 62grKClO3 (1𝑚𝑜𝑙 𝐾𝐶𝑙𝑂3
122.52𝑔𝑟 𝐾𝐶𝑙𝑂3) ∗ (
1𝑎𝑡𝑔𝑟 𝐾
1𝑚𝑜𝑙 𝐾𝐶𝑙𝑂3)
= 0.51
𝐶𝑙𝑜 = 62grKClO3 (1𝑚𝑜𝑙 𝐾𝐶𝑙𝑂3
122.52𝑔𝑟 𝐾𝐶𝑙𝑂3) ∗ (
1𝑎𝑡𝑔𝑟 𝐶𝑙
1𝑚𝑜𝑙 𝐾𝐶𝑙𝑂3)
= 0.51
𝑂𝑜 = 62grKClO3 (1𝑚𝑜𝑙 𝐾𝐶𝑙𝑂3
122.52𝑔𝑟 𝐾𝐶𝑙𝑂3) ∗ (
3𝑎𝑡𝑔𝑟 𝑂
1𝑚𝑜𝑙 𝐾𝐶𝑙𝑂3)
= 1.52
Para el S
𝑆𝑜 = 15grS (1𝑚𝑜𝑙 𝑆
32.06 𝑔𝑟 𝑆) ∗ (
1𝑎𝑡𝑔𝑟 𝑆
1𝑚𝑜𝑙 𝑆) = 0.47
Para el Al
𝐴𝑙𝑜 = 23grAl (1𝑚𝑜𝑙 𝐴𝑙
26.98 𝑔𝑟 𝐴𝑙) ∗ (
1𝑎𝑡𝑔𝑟 𝐴𝑙
1𝑚𝑜𝑙 𝐴𝑙) = 0.85
Calculo del balance de oxígeno, usando
la siguiente formula:
OB: Oo-2So-3/2Al OB: 15.2- 2(4.7) - 3/2(8.5)
OB: -6.95
Calculo del calor de explosión (Q)
RP HHQ 3
HP: PRODUCTOS HR: REACTANTES
3KClO3:3*397.72 3KCl:3*436.5
Al: 2*0 Al2O3:1*392
3S:3*0 3SO2:1*93
Ensayos en la bomba de presión:
Observamos que existe una deficiencia
de oxígeno y que teníamos que aumentar
el oxidante , que en este caso es el
Clorato de Potasio, entonces preparamos
las muestras para poder ingresarlas a la
bomba y relacionando la presión de
detonación con la liberación de los gases
hallamos la proporción más efectiva en
la mezcla.
La detonación del explosivo creara una
primer onda que genera un pico en la
gráfica presión vs tiempo, esto nos
indicara la presión de detonación del
explosivo, la cual genera el corte y
agrietamiento de la roca en un primer
momento y pasado unos milisegundos la
presión se normaliza y disminuye
generando en la gráfica una presión de
explosión, la cual en un macizo rocoso se
refleja como la expansión y
desplazamiento del material cortado y
agrietado en una dirección predominante
hacia la cara libre.
Compuestos P.M. % Ko Oo Clo Alo So
KClO3 122.52 62 0.51 1.52 0.51
S 32.06 15 - - - - 0.47
Al 26.98 23 - - - 0.85 -
Base 100gr 181.56 100 0.51 1.52 0.51 0.85 0.47
Σ atgr/kg 5.1 15.2 5.1 8.5 4.7
.4.6011.11935.17943 KcalQ
Fig. 14: Mecanismo de medición de la presión de
detonación y explosión del cartucho
7 Junio 2014 Instituto de Investigación de Minería y Geociencias
La iniciación eléctrica la realizamos con
un temporizador programable a 60
segundos:
Onda de choque dentro de la bomba
de presión, La presión de detonación o
energía de choque puede ser
considerada una forma de energía
cinética y su valor máximo se da en la
dirección de propagación, esto significa
que la presión de detonación será
máxima en el extremo opuesto del
cartucho al cual se inició la reacción y
por lo tanto el sensor para su medición
debe estar en la línea de propagación de
la onda, para aprovechar directamente la
onda de choque y evitar errores en la
toma de datos.
Los datos fueron agrupados en la siguiente
tabla:
Calculo de la Velocidad de
Detonación: De esta manera podemos
calcular el performance de nuestro
explosivo, siendo uno de los parámetros
más importantes del proceso de
detonación y está vinculada con su
capacidad para liberar energía, la cual se
encuentra relacionada con la
composición química y de la densidad
del explosivo.
La presión de detonación está en función
directa de la densidad del explosivo y la
velocidad de detonación. Se calcula
multiplicando la densidad del explosivo
y la velocidad de detonación al cuadrado
y es una forma de energía cinética. .
Como ejemplo citaremos la siguiente
expresión (Konya 1990):
Dato % KClO3 % S % Al Presión
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
Fig. 15: Sistema de iniciación eléctrica
Fig. 15: Onda de choque propagada dentro de la
bomba de presión
8 Junio 2014 Instituto de Investigación de Minería y Geociencias
𝑃 =4.5𝑥10−6𝑥 𝑉𝑂𝐷2𝑋 𝜌
1 + 0.8𝑥𝜌
Dónde:
P = Presión de detonación (kbar)
𝝆 = Densidad del explosivo (gr/cc)
Ve = Velocidad de detonación -VOD-
(m/s) Presión de
Detonación
(Kbar)
Densidad del
explosivo
(gr/cm3)
Velocidad de
Detonación
(m/s)
Determinación de la Densidad del
explosivo: Escogida previamente la
mejor proporción para la mezcla del
explosivo, procedemos a medir su
densidad en laboratorio Fisicoquímico
de la UNT, con ayuda de una probeta
con 17ml de agua destilada, 1gr de
muestra explosiva y una balanza
electrónica obteniendo los siguientes
datos:
Masa de muestra: 1gr
Volumen inicial: 17.00 ml
Volumen final: 17.35ml Densidad: 2.85 gr/cm3
Mejoramiento del sistema de iniciación
del Explosivo: Implementamos un
detonador eléctrico dentro del cartucho de
manera que este pueda iniciar a la carga
explosiva , obteniendo resultados
satisfactorios de VOD, mejores que los
resultados obtenidos cuando se usó una
simple mecha como fulminante.
Los ensayos lo realizamos midiendo la
presión de Detonación para medir
indirectamente la Velocidad de
Detonación con nuestra bomba de
presión.
Ensayos en los bloques de concreto:
Estos ensayos fueron inicialmente
practicados en cuerpos homogéneos
como el concreto y así poder evaluar
cuanta carga se utilizara para cortar un
Fig. 16: Remplazando la mecha por un detonador
eléctrico dentro del cartucho
9 Junio 2014 Instituto de Investigación de Minería y Geociencias
volumen determinado de concreto , para
posteriormente poder aplicar los ensayos
en roca y afinar cargas en función al tipo
de roca en la que ensayemos.
Las dimensiones de los bloques son de
30cm x 30cm las cuales presentan
características como:
Resistencia a la compresión:
Resistencia a la Tracción:
Densidad del concreto:
Obtuvimos los siguientes datos:
Dato Volumen
(m3) Carga (Kg)
Corte Agrietamiento
1
2
REDULTADOS Y DISCUSIONES
AGRADECIMIENTO
Fig. 17: Ubicación de la carga explosiva dentro de los
taladros dispuestos en el bloque de cemento,
aprovechando el principio de la mínima acción para
cortar y agrietar al bloque de concreto
10 Junio 2014 Instituto de Investigación de Minería y Geociencias
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