Historia de los Explosivos Empleados en Minería

En este artículo, exploraremos la fascinante evolución de los explosivos a lo largo de la historia, desde la antigua pólvora negra hasta los innovadores agentes de voladura modernos. Descubriremos cómo estos elementos han influido en la minería, construcción y revolucionado la industria.

¡Sumérgete en el pasado explosivo y presente de la tecnología que ha transformado la industria minera!

Índice
  1. Pólvora Negra
  2. Introducción a los Altos Explosivos
    1. Nitroglicerina
    2. Dinamita
    3. Explosivos de Oxigeno Líquido ("L.O.X.", por sus siglas en Inglés)
  3. Agentes de Voladura Modernos y Explosivos a Base de Agua
    1. Agentes de Voladura a base de Nitrato de Amonio
  4. Explosivos a Base de Agua
    1. Explosivos tipo "Slurry" (Hidrogel)
    2. Explosivos en Emulsión
  5. Dispositivos de Iniciación
    1. Mecha de seguridad convencional
    2. Mecha y Detonadores Eléctricos
    3. Cordón Detonante
    4. Detonadores de Retardo No Eléctrico

Pólvora Negra

La pólvora negra es el ingrediente básico de la mayoría de los explosivos comerciales modernos. Se trata de una mezcla de tres ingredientes: nitrato de potasio (75%), carbono (15%) y azufre (10%). Su descubrimiento y desarrollo se remontan a la Edad Media, pero sus orígenes son oscuros.

La primera mención documentada del nitrato de potasio (salitre), se encuentra en los escritos del autor árabe Abd Allah, que se remontan al siglo XIII. Sin embargo, se cree que los chinos ya habían empleado el salitre desde antes, tal vez desde el siglo X. Al principio, parece que su actividad inicial con el nitrato de potasio se centró en la fabricación de fuegos artificiales y cohetes.

No fue sino hasta después de 1242, cuando el fraile Inglés Roger Bacon publicó una fórmula para la elaboración de pólvora negra, que este producto se consideró un agente de voladura. Su primer uso sustancial en la voladura de roca se llevó a cabo en 1627 en las Minas Reales de Schemnitz en Ober-Biberstollen, Hungría. A pesar de las limitaciones impuestas por la falta de medios de perforación, el alto costo de la pólvora y la calidad deficiente del producto, el empleo de la pólvora negra en operaciones de minería ya se había extendido a las minas de estaño de Cornwall, Inglaterra, hacia 1689.

La primera planta de pólvora negra en los EEUU se abrió en 1675, cerca de la ciudad de Boston. El primer uso documentado de este material en operaciones de voladura se dió en una mina de carbón en Simsbury, Connecticut, en 1773.

Durante la Guerra de Secesión, la construcción de numerosos molinos de pólvora en la Costa Este fue impulsada con vigor. En el año 1804, E.I. duPont inició su producción a orillas del río Brandywine, cerca de Wilmington, Delaware. Posteriormente, en 1857, la empresa desarrolló una innovadora alternativa al nitrato de potasio, sustituyéndolo por el más económico nitrato de sodio. Este cambio significativo resultó en una notable reducción de costos en la fabricación de pólvora. La producción experimentó un espectacular aumento, pasando de alrededor de 11 millones de kg por año en 1860, a cerca de 45 millones de kg hacia finales del siglo.

En 1917, la demanda de pólvora negra en los Estados Unidos alcanzó su cúspide, llegando a 103 millones de kg. En la actualidad, Según la National Fire Protection Association (NFPA), el consumo actual de pólvora negra ha disminuido significativamente, llegando a ser de menos de 100,000 kg. Estos recursos se destinan principalmente a la fabricación del núcleo de mechas de seguridad convencionales, en algunas aplicaciones militares  y a la fabricación de fuegos artificiales.

La pólvora negra fue un hito en la industria minera. Su introducción en el siglo XVI permitió a los mineros alcanzar profundidades y niveles de producción sin precedentes. Su uso también desempeñó un papel importante en la seguridad minera, reduciendo el riesgo de accidentes. En la actualidad, la pólvora negra sigue siendo un material importante en la minería, aunque su uso se ha reducido debido a la introducción de explosivos más potentes y seguros.

Introducción a los Altos Explosivos

Nitroglicerina

Cuando Ascanio Sobrero descubrió la nitroglicerina (NG), se dió cuenta de que era impredecible y poco confiable como explosivo. Sin embargo, el poder evidente de este agente impresionó a los inventores suecos Immanuel Nobel y su hijo Alfred y, en 1861, los señores Nobel construyeron una fábrica pequeña de nitroglicerina en Heleneborg, Suecia. La primera aplicación de dicho explosivo consistió simplemente en verterlo en los taladros e iniciarlo mediante varios iniciadores de pólvora negra. Este método de encendido frecuente resultó no funcionar, razón por la cual Alfred Nobel concluyó que, a diferencia de la pólvora negra, la nitroglicerina requería de una onda fuerte para que pueda iniciar de manera confiable. Experimentos posteriores condujeron a lo que llegó a ser probablemente su principal invento: el fulminante. Luego de dicha invención, la nitroglicerina se empezó a utilizar de manera exitosa en muchos proyectos tanto en Europa como América del Norte.

Dinamita

Nobel, habiendo descubierto un modo de iniciar la nitroglicerina de manera confiable, sabía que la extrema sensibilidad y dificultad en el manejo de este líquido constituían serios problemas. El pensó que podría superar dichos problemas si lograse encontrar un absorbente que no afecte materialmente las propiedades explosivas de la nitroglicerina. La experiencia con el "kieselguhr" (también conocido como "diatomita", "piedra podrida" o "trípoli") como material de empaquetado lo condujo a probar con dicho material y, finalmente, a seleccionarlo como el absorbente de su elección. Una proporción de tres partes de nitroglicerina con una parte de kieselguhr demostró ser exitosa en la práctica y, en 1867, dicha combinación se introdujo al mercado como "dinamita". Esta mezcla consistía en una especie de masa pastosa seca, muchas veces descrita como parecida a la azúcar morena, la cual se colocaba en cartuchos de papel. Cuando se las incorporó a la dinamita, la nitroglicerina pudo ser utilizada sin temor a que los impactos que usualmente se dan en el carguío de los taladros pudiesen hacer que ésta detone.

La patente de la dinamita elaborada por Alfred Nobel se emitió en los EEUU el 26 de Mayo de 1868, pero el producto ya venía siendo fabricado en San Francisco desde el 19 de Marzo del mismo año. Durante los años siguientes se fueron construyendo una serie de plantas, principalmente en las regiones de San Francisco en el oeste del país y Nueva Jersey, en el este. Los primeros fabricantes fueron principalmente hombres de negocios, sin mayor conexión previa con la industria de los explosivos (pólvora negra). Sin embargo, muy pronto la industria de la dinamita cayó bajo el dominio de la Compañía duPont, pero este monopolio de fabricación de explosivos culminó con la orden dada por el gobierno de los EEUU de deshacerlo, en virtud de lo estipulado por la ley federal anti-monopolios.

El resultado fue la creación de las Compañías Atlas Powder y Hercules Powder, como competidores de duPont. Estas compañías nuevas iniciaron sus operaciones el 1 de enero de 1913. Tanto antes como después de la división, ya existían otras compañías independientes de las "Tres Grandes". Dos de los muchos ejemplos de este tipo lo constituyen la Compañía Austin Powder y la Compañía Trojan Powder, algunas de las cuales fueron finalmente absorbidas por una u otra de las compañías más grandes, aunque algunas permanecieron siendo independientes. Hacia mediados de la década de los 90, ninguna de las tres compañías más grandes operaba con sus nombres originales, pero continúan operando bajo la conducción de nuevos propietarios.

La historia de la dinamita tiene detalles muy interesantes. A continuación, se presentan algunos de los más significativos:

  • El nitrato de amonio (al que nos referimos comúnmente como "NA") como ingrediente de la dinamita, fue de mucho interés para Nobel; él introdujo sus dinamitas tipo "Extra" hacia 1870, las mismas que empleaban NA como un reemplazante parcial de la NG. Sin embargo, no fue sino hasta 1884, cuando dos empleados de una planta en Nueva Jersey descubrieron una forma de revestir el nitrato con productos derivados del petróleo o materiales a base de cera, que este producto adquirió un carácter práctico. A partir de ahí, el NA se convirtió en el ingrediente de la mayoría de las fórmulas empleadas en la elaboración de dinamita.
  • Los explosivos permisibles empezaron a ser recomendados para su uso en las minas subterráneas de carbón de los EEUU en 1908, pero fueron necesarios esfuerzos de investigación y desarrollo especiales por parte de los fabricantes. Hacia 1911, existían 71 marcas diferentes de explosivos permisibles aprobados. A lo largo de los años, se han empleado varios ingredientes para alterar las características de la dinamita con el fin de alcanzar las propiedades propias de la permisibilidad, como por ejemplo baja temperatura de la llama, hasta que la sal de mesa común (cloruro de sodio) se convirtió finalmente en el principal material utilizado.
  • El congelado (y subsecuente descongelado para su uso) de la dinamita fue la causa de incontables accidentes relacionados a operaciones de voladura durante los primeros años. Se experimentó y se utilizaron comercialmente muchos sensibilizadores como alternativa a la nitroglicerina (el material que ocasiona el problema de congelamiento), incluyendo TNT y sus isómeros, el nitroalmidón y otros materiales. A pesar de que el nitroalmidón continuó siendo utilizado en los tiempos modernos como el sensibilizador para una línea especializada de dinamita, no fue sino hasta 1927, cuando la nitración de glicol etileno (en dinitrato de glicol etileno) se introdujo como un reemplazante total o parcial a la glicerina nitrada, que se logró resolver el problema del congelamiento.

La industria de la dinamita floreció hasta finales de la década de los cincuenta, cuando existían 34 plantas funcionando en los EEUU. Más o menos en esa época, los agentes de voladura se hicieron bastante populares y empezaron a reemplazar a los altos explosivos encartuchados. Hacia 1996 quedaba sólo una planta de fabricación de dinamita operando en el continente norteamericano.

Explosivos de Oxigeno Líquido ("L.O.X.", por sus siglas en Inglés)

En 1917 el Buró de Minería de los EEUU inició una investigación sobre el empleo potencial de este explosivo, el cual consistía en materiales carbonosos saturados en oxígeno líquido. Durante la Primera Guerra Mundial, se informó que habían 160 minas en Alemania que empleaban dicha mezcla para sus operaciones de voladura debido a la escasez de explosivos convencionales. Experimentos realizados en los EEUU demostraron que el mejor combustible carbonoso y absorbente fue el polvo de carbón. La primera vez que se utilizó en una mina grande en los EEUU fue en 1926, y su empleo se expandió, así como el de las plantas de oxígeno líquido en las minas, hasta alcanzar una producción anual pico de 25 millones de libras (unos 11 millones de kg.) en 1955. La desaparición de los L.O.X. se aceleró con la introducción de los agentes de voladura modernos hechos a base de nitrato de amonio, y se dio de manera rápida.

Agentes de Voladura Modernos y Explosivos a Base de Agua

Agentes de Voladura a base de Nitrato de Amonio

J.R. Glauber fue el primero en sintetizar el nitrato de amonio en 1659, combinando ácido nítrico con carbonato de amonio. El nitrato de amonio, al cual Glauber bautizó con el nombre de "nitrum flammans", se da en la naturaleza rara vez y en cantidades muy pequeñas. Hoy en día, este compuesto químico tiene dos usos muy diferentes y ampliamente reconocidos: 1) es un fertilizante importante en la industria agrícola; y 2) constituye el ingrediente básico de muchos explosivos comerciales, en donde cumple la función de oxidante.

A pesar de que existen patentes que datan desde 1870, y que muestran la formulación de explosivos conteniendo sólo NA e ingredientes combustibles, no fue sino hasta 1935, cuando la empresa duPont introdujo un "agente de voladura" enlatado llamado "Nitramon", que dichas fórmulas adquirieron un uso práctico. Este producto contenía DNT como sensibilizador, de modo que no se compara desde el punto de vista de su importancia histórica con los agentes de voladura introducidos en la década de los cincuenta.

En 1953 se inició la experimentación en operaciones de voladura con una mezcla de nitrato de amonio de grado fertilizante en prills (FGAN, por sus siglas en Inglés) y polvo de carbón, en una mina de tajo abierto en el estado de Indiana. La mezcla venía empaquetada en tubos grandes de polietileno, y se la cebaba con cargas de dinamita de 20 libras (9 kg.). Es una creencia generalizada que este producto se desarrolló debido a la publicidad generada por el desastre de la ciudad de Temas de 1947, en el cual dos barcos cargados con fertilizante de nitrato de amonio estallaron. En realidad, dicha explosión ocurrió con NA granulado, no en prills, y en 1947 el momento "aún no había llegado" para el nuevo material de voladura. La razón del éxito de los experimentos realizados en Indiana se debió a que los prills eran fáciles de conseguir (hacia 1948 toda la producción de fertilizantes en los EEUU se había convertido al sistema de prills), y a que la perforación en seco de taladros de diámetro grande en las minas de superficie empezaba a convertirse en la norma común.

El hombre responsable de este nuevo producto fue Bob Akre de las Minas de Carbón Maumee, y el producto se denominó "Akremita". Muy poco tiempo después del anuncio del experimento en Mayo de 1955, otras minas empezaron a utilizar prills mezclados con combustible diesel común No. 2 y, muy pronto, el nombre "ANFO" había sido ya adoptado.

El método Akremita de empaquetado en bolsas plásticas pronto fue reemplazado por ANFO embolsado, para su vertimiento directo en los taladros o para el mezclado en el lugar de trabajo (o incluso "en el taladro") de prills de NA con aceite combustible. Los camiones de carguío a granel se emplearon para el cargado directo al taladro ya desde 1956.

Explosivos a Base de Agua

Explosivos tipo "Slurry" (Hidrogel)

El ANFO, un agente de voladura de bajo costo con buenas habilidades de rompimiento de roca debido a su producción de un gran volumen de gas, encontró su aplicación instantánea en las minas pero no se lo podía emplear en condiciones de presencia de agua sin ser primero encartuchado o colocado en mangas plásticas. Asimismo, su habilidad para llenar el taladro completamente con frecuencia resultó no ser suficiente para contrarestar los efectos perjudiciales de tener una densidad relativamente baja.

En 1957 un profesor de la Universidad de Utah, el Dr. Melvin A. Cook, comerizó a hacer experimentos con una mezcla de NA, agua, goma guar (un agente gelíficante y de mutuo enlace), y aluminio.También se empleó el TNT en algunas de las formulaciones. Sus experimentos se basaban hasta cierto punto en el trabajo que él y otros habían llevado a cabo para el gobierno durante la Segunda Guerra Mundial. El explosivo resultante de sus experimentos, llamado "slurry", era resistente al agua y de densidad alta, además de tener una velocidad de detonación relativamente alta. Poco después de los experimentos iniciales, formó una empresa para promocionar su invento y en poco tiempo dicho material llegó a ser el explosivo elegido para el disparo de vetas de hierro duro de Canadá, así como de las Regiones Mesabi y Marquette de la parte alta de la región noroccidental de los EEUU. Esta tecnología se expandió rápidamente y pronto todas las compañías fabricantes de explosivos introdujeron eaplosivos similares los que, en su mayoría, diferían entre sí en el tipo de sensibilizador que empleaban. El superávit de TNT o pólvora sin humo resultantes de la Segunda Guerra Mundial predominó en esta aplicación. A medida que dicho superávit se fue agotando, 1os aluminios de varios grados se fueron convirtiendo en los sensibilizadores y energizadores principales.

El carguío a granel directamente al taladro empezó en 1960, con sistemas de mezclado tanto en las plantas como en el lugar de trabajo, los mismos que comenzaron casi simultáneamente. Hacia mediados de la década de los 60, se estaban cargando directamente al taladro alrededor de 100 millones de libras (unos 45 millones de kg.) de "slurry" a granel, al año.

La introducción de varios sensibilizadores de patente exclusiva en reemplazo de los empleados anteriormente: TNT, pólvora sin humo y aluminio pulverizado o de grado fìno, hizo posible que el slurry ingrese al mercado de los taladros de diámetro pequeño. El surgimiento de la sensibilización mediante la saturación por gases químicos en 1964, permitió mejorar aún más las propiedades del producto. Luego, la saturación por gases químicos adquirió una importancia crucial para la siguiente generación de explosivos: las emulsiones.

Explosivos en Emulsión

Las emulsiones están presentes de manera común en la vida diaria en materiales tales como la mantequilla, leche, pinturas látex, cremas humectantes y lustradores de zapatos. A mediados de la década de los 60, la tecnología de la emulsión se empezó a aplicar en la formulación de las emulsiones. Un explosivo en emulsión consiste en gotitas sub-microscópicas de una solución oxidante en una matriz continua de combustible como por ejemplo algún aceite combustible, aceite mineral o cera. Los emulsificantes, agentes de superficie, constituyen un elemento escencial de la emulsión pues brindan estabilidad a la mezcla. La sensibilización, por lo general, se produce mediante el empleo de microesferas o saturaciõn por gases químicos.

Aún cuando las primeras emulsiones datan de la década de los 60, su comercialización no
empezó sino hasta fìnales de la década de los 70, después del desarrollo de métodos encaminados a lograr la sensibilidad al fulminante. Una vez comercializados, su empleo se generalizó con mucha rapidez. Debido a la estructura de "agua en aceite" de la emulsión (similiar a la mantequilla), ésta tiene una resistencia al agua casi perfecta. Además, el tamaño extremadamente pequeño de la partícula de las gotitas del agente oxidante da como resultado un contacto mucho más cercano entre el oxidante y el combustible del que se encuentra en cualquier otro explosivo de dos componentes. Dos resultados lógicos de esta unión cercana son una velocidad de detonación alta y un diámetro crítico pequeño.

A mediados de la década de los 90, los productos en emulsión estaban ya en condiciones de igualar muchas de las características de rendimiento de las dinamitas de diámetro pequeño, por lo que el mercado de las emulsiones continúa expandiéndose. Al igual que con el ANFO y el slurry, las emulsiones se prestan fácilmente para el carguío a granel.

Dispositivos de Iniciación

Mecha de seguridad convencional

La razón más probable de la demora entre el descubrimiento de la pólvora negra y sus primeras aplicaciones en minería se explica porque no se habían desarrollado métodos de iniciación confiables. Los dispositivos empleados inicialmente consistían en cañas, juncos, tallos vegetales u otros tubos que se llenaban con pólvora suelta. En principio, estos métodos funcionaban pero no eran confiables y además resultaban ser peligrosos. En 1831, William Bickford, residente del distrito minero Cornwall de Inglaterra, inventó lo que hoy en día conocemos como mecha de seguridad convencional. Esto constituyó un avance importantísimo, con lo cual se logró una reducción en los accidentes en las operaciones de voladura, del orden del 90%.

Mecha y Detonadores Eléctricos

Nobel unió su detonador eléctrico a la mecha de seguridad convencional y logró convertir a la nitroglicerina en un explosivo útil, con lo cual dejó el terreno preparado para inventar luego la dinamita. Sin embargo, si bien el trabajo de Nobel se llevaba a cabo con un detonador unido a la mecha de seguridad, ya existían inventos que datan desde mediados del siglo XVII en donde se había utilizado electricidad para iniciar la pólvora negra. Estos inventos utilizaban chispas eléctricas desarrolladas mediante dispositivos generadores de corriente estática, tales como la máquina Wimshurst. Hacia 1830, se desarrollaron detonadores que utilizaban alambres con secciones estimadas hasta alcanzar diámetros muy delgados para crear calor, debido a la gran resistencia de dicha área (el concepto del "alambre puente"). El empleo de técnicas de voladura eléctrica en aplicaciones prácticas puede atribuirse a H. Julius Smith, quien diseñó el primer explosor de uso práctico.

Los primeros detonadores eléctricos eran todos del tipo instantáneo, pero era lógico que el siguiente paso consistiría en unir un detonador a uno de los extremos de un trozo corto de mecha de seguridad y un iniciador eléctrico al otro extremo, para así crear un dispositivo integrado de retardo eléctrico. Esto ya se venía haciendo hacia 1890, y siguió siendo el único método disponible de retardo eléctrico hasta aproximadamente 1910. El siguiente paso consistió en acortar la extensión de la mecha (lo que requería de una composición de quemado muy lento) e incorporarla en una cápsula ventilada. Esto hizo que los detonadores sean mucho más prácticos. El último avance en este concepto fue crear un elemento de retardo sin gases de combustión, el mismo que se introdujo al mercado en la década de los 30 y que, finalmente, permitió que el conjunto en su totalidad pueda encerrarse en una cápsula de metal sellada. En años posteriores se dieron otros avances como la resistencia a la estática, exactimd en el retardo, resistencia al agua, aislamiento y una forma efectiva de cerrar el circuito para evitar el ingreso de corrientes extrañas. La carga base de los detonadores empleada durante los primeros 50 años después de su invención estaba compuesta de una mezcla de fulminato de mercurio y clorato de potasio, pero desde la década de los 30 se ha venido empleando PETN para dicha aplicación.

Cordón Detonante

En las operaciones de voladura no eléctrica, el avance que se dió luego del desarrollo de la mecha de seguridad convencional fue el cordón detonante.Aunque existía ya una variante de este producto que se había empleado por los militares en Europa hacia 1870, no fue sino hasta 1902 cuando Cordeau, un tubo delgado de estaño lleno de ácido pícrico se introdujo en Europa como un sistema práctico de iniciación para la minería. En 1913, se introdujo en los EEUU una variedad distinta de Cordeau en la que el tubo estaba hecho de plomo y el explosivo era TNT. El cordón detonante moderno, que consiste en PETN envuelto en una tela trenzada, fue introducido en 1958. Al igual que en la voladura eléctrica, los primeros sistemas de cordón eran virtualmente instantáneos, en donde la velocidad de detonación del cordón era el único elemento que proporcionaba un retardo de taladro a taladro. Los conectores de retardo se introdujeron a principios de la década de los 50, los mismos que tenían un trozo pequeño de cordón en ambos extremos de un elemento de retardo encerrado en una cápsula de metal. Al principio, sólo se contaba con retardos de 17ms, pero a inicios de los sesenta ya se fabricaban un total de cuatro retardos. Los conectores de retardo "Tailless" (sin trozo) se introdujeron en el mercado a principios de los setenta por un fabricante, mientras que los demás continuaban fabricando el diseño "tailed" (con trozo).

Detonadores de Retardo No Eléctrico

En 1967 se introdujo en los EEUU un sistema compuesto por un cordón detonante de núcleo mínimo unido a un detonador de retardo; al mismo tiempo, y de manera casi simultánea, se introducía en Suecia un sistema compuesto por una "manguerita nonel" la cual consistía en un tubo plástico con una recubierta interna de aluminio, muy delgada, y el explosivo HMX, unido a un detonador de retardo. Su inventor fue el Dr. Per Anders Persson. Este último sistema fue inscrito con la marca registrada "Nonel®". Otros sistemas de retardo no eléctrico fueron el Detonador de Retardo Iniciado por Gas "Hercudet®" (1974), "Blastmaster®", y "Detaline®". De todos estos sistemas, el que incorporó la manguerita nonel es el que se expandió a nivel mundial hasta que, a mediados de los noventa, se convirtió en el sistema de iniciación no eléctrica de mayor uso.

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