N° 20 Tecnología de plasma para la fragmentación de roca en zonas sensibles P Olivero C Larson (3) - rev

Tecnología de plasma para la fragmentación de roca
en zonas sensibles.
Patricio Olivero Arenas y Cristian Larson Mardones
INGEOL LIMITADA
Resumen.
Se describe la tecnología de fragmentación de roca mediante plasma, que se basa en la
activación de reacciones termíticas confinadas en el interior de perforaciones dentro del
macizo rocoso.
Actualmente la tecnología ha evolucionado hacia el uso de mezclas metálicas que producen
reacciones termíticas que tienen la ventaja de generar altas densidades de energía,
insensibilidad al impacto, alta temperatura de combustión y un amplio rango de producción
de gases.
Las vibraciones producidas por esta tecnología son del orden del 10 % de la generadas por
las emulsiones, debido esencialmente a la no producción de ondas de esfuerzo al ser
reacciones químicas subsónicas con VOD del orden de 300 m/seg.
La principal característica que permite aplicar plasma en la fragmentación de roca en zonas
sensibles, es la escasa proyección de partículas de roca debido a la corta duración del pulso
de presión que producen los gases ionizados, total o parcialmente, a altas temperaturas, en
cuyo caso los gases se transforman rápidamente a fases más condensadas como líquidos o
sólidos. Esta característica contrasta fuertemente con los explosivos, que normalmente
tienen un carácter ultrasónico y los productos de reacción son gases que permanecen en
ese estado durante el desarrollo de la voladura produciendo la proyección de partículas de
roca.
Finalmente se entregan antecedentes de un caso de aplicación de la tecnología al
fragmentar rocas en el interior de un edificio que constituye una zona altamente sensible a la
proyección de roca.
Tecnología de plasma para la fragmentación de roca
en zonas sensibles.
1. Introducción.
Se denomina plasma al gas ionizado en el cual la mayoría de los átomos o moléculas se han
transformado en iones positivos al perder uno o varios electrones. En general el plasma es
una mezcla de tres componentes: átomos o moléculas, iones positivos y electrones libres.
El plasma es el estado de la materia con mayor presencia en el universo. El Sol y las
estrellas pueden ser considerados grandes concentraciones de plasma caliente. Toda
descarga gaseosa como relámpago, chispa y arco eléctrico esta asociada a la aparición de
plasma, incluso la llama ordinaria, aun que en grado menor, está ionizada, es decir, es
plasma.
Entre un plasma y un gas no existe una delimitación definida. El plasma cumple las leyes de
los gases, sin embargo, es conductor de la energía eléctrica y es fuertemente afectado por
los campos magnéticos (1)
La reacción exotérmica entre un metal y un óxido metálico (reacción termítica) o entre
elementos metálicos (reacción intermetálica) así como la combustión de metales (reacciones
de oxidación) son una importante fuente de energía que puede producir como productos de
reacción fases menos condensadas como gases e incluso plasma.
La tecnología de fragmentación de roca con plasma, se basa en la activación de reacciones
termíticas confinadas en el interior de perforaciones dentro del macizo rocoso.
2.- Reacciones termíticas.
La reacción termítica tradicional es la que tiene lugar entre aluminio y óxido de fierro III o
magnetita, que fue usada por primera vez como soldadura en 1898. Esta reacción
exotérmica produce alúmina y fierro metálico.
8 Al + 3 Fe3O4 = 4 Al 2O3 + 9 Fe
- 879 cal/gr. reactivo
Una reacción termítica típicamente usada en la fragmentación de rocas es la producida entre
el aluminio y el óxido de cobre.
2 Al + 3 CuO = Al2O3 + 3 Cu
- 974,1 cal/gr. reactivo
Las principales características termodinámicas (2) de esta última reacción son:

Densidad de la mezcla : 5,1 gr./cc

Temperatura de reacción adiabática sin cambio de fase: 5718 °K

Temperatura de reacción adiabática con cambio de fase: 2843 °K

Estado o fase de los productos de reacción:
o Óxido (Al2O3) : Sólido
o Metal (Cu) : Sólido

Producción de gases: 0,54 mol/100 gr. de reactivo = 120 l/kg

Calor de reacción: 974,1 cal/gr. reactivo
Podemos comparar esta reacción con el ANFO, que genera 1050 litros de gas /Kg. y 912
cal/gr. de reactivo.
Como una forma de aumentar la tasa de producción de gases a esta mezcla termítica se le
puede agregar nitrato de amonio (NH4NO3) o alguna sal altamente hidratada como
MgSO4*7H2O, que producirá principalmente vapor de agua sobrecalentado.
Las reacciones termíticas más usadas para fragmentar roca se basan en el aluminio como
metal combustible que reacciona con diferentes óxidos metálicos. Para algunas aplicaciones
específicas se pueden usar otros metales como el circonio que constituye mezclas termíticas
sensibles a la ignición y con altas velocidades de reacción. El óxido de cobre es preferido
cuando es necesario contar con un buen conductor del calor.
2. Descripción de la tecnología de fragmentación de roca con plasma.
Existen varias tecnologías de fragmentación de roca con plasma, los primeros ensayos
consistieron en ionizar una solución salina dentro de perforaciones en bolones mediante la
acción de un fuerte pulso eléctrico de 4000 a 5000 volt. Actualmente la tecnología ha
evolucionado hacia el uso de mezclas metálicas que producen reacciones termíticas que
tienen la ventaja de generar altas densidades de energía, insensibilidad al impacto, alta
temperatura de combustión y un amplio rango de producción de gases.
Muchas de estas formulaciones son estables a altas temperaturas y no son afectadas por
corrosión, humedad, impacto, chispas y pequeñas variaciones en su composición química.
Las mezclas termíticas pueden ser encendidas por variados métodos entre los que destacan
los siguientes:

Pulso térmico proveniente de :
o Resistencia eléctrica incandescente.
o Puente semiconductor

Arco eléctrico, que requiere descargas eléctricas 4000 a 6000 volt

Impacto con láser.

Otra reacción termítica más sensible a la ignición como Zr con CuO que produce
temperaturas de 6100 °K.
Las vibraciones producidas por esta tecnología son del orden del 10 % de las generadas por
las emulsiones debido esencialmente a la no producción de ondas de esfuerzo al ser
reacciones químicas subsónicas con VOD del orden de 300 m/seg.
Una forma de mejorar la velocidad de reacción de estas mezclas, es aumentar la superficie
específica de sus componentes pasando de la actual micro-estructura a nano-estructura,
actual estado del arte de las nano-termitas.
La principal característica que permite aplicar plasma en la fragmentación de roca en zonas
sensibles, es la escasa proyección de partículas de roca debido a la corta duración del pulso
de presión que producen los gases ionizados, total o parcialmente, a altas temperaturas, en
cuyo caso los gases se transforman rápidamente a fases más condensadas como líquidos o
sólidos. Esta característica contrasta fuertemente con los explosivos, que normalmente
tienen un carácter ultrasónico y los productos de reacción son gases que permanecen en
ese estado durante el desarrollo de la voladura produciendo la proyección de partículas de
roca.
Finalmente, es necesario hacer notar la existencia de tecnología que permite secuenciar los
tiros mediante iniciadores electrónicos preprogramados, semejantes a los detonadores
electrónicos tradicionales, en que el explosivo ha sido reemplazado por mezclas termíticas
altamente sensible a la ignición mediante puente eléctrico.
3. Estudio de caso.
Dentro del plan de expansión de la División Andina de Codelco Chile, se está aplicando la
tecnología de fragmentación de roca con plasma al interior del edificio que cubre el futuro
vaciadero de camiones de extracción en el Brazo PT5 en el Rajo Sur Sur.
El proyecto consiste en terminar de construir el embudo receptor de mineral en el extremo
superior del ore pass Brazo PT5. Aquí, es necesario extraer 1200 m 3 de roca mediante
banqueo de 1,5 m de altura. Ver figura 1, 2, 3 y 4. Una restricción importante del proyecto es
la necesidad de generar una granulometría del material fragmentado inferior a 1 m a fin de
evitar colgaduras del ore pass PT5 que tiene un diámetro de 3 m.
En este proyecto se consumirán del orden de 1100 Kg. cápsulas de plasma y 3000
iniciadores electrónicos. Las principales características del diseño son:

Longitud de perforaciones: 1,6 m

Diámetro de perforaciones: 41 mm

Malla de perforación: 0,6 x 0,7 m2

Secuenciamiento: electrónico.

Plasma: NRC de origen coreano.

Factor de carga: 800 a 1000 gr./m3
Figura 1.- Proyecto de construcción de vaciadero en Brazo PT5.
Figura 2. Perforaciones de banqueo.
Figura 3.- Carguío de plasma.
Figura 4.- Extracción del material fragmentado.
REFERENCIA BIBLIOGRÁFICA
1. D. A. Castro O.& G Vásquez “Termodinámica del plasma” Ingeniería y Desarrollo.
Universidad del Norte. Chile 1997.
2. S. H. Fischer & M. C. Grubelich “ Theoretical Energy Release of Thermites,
Intermetallics, and Combustible Metals” SAND99-1170C. 1999.