CAMPO DE APLICACIÓN

La presente invención se relaciona con un método y un sistema para formar tacos o tapones para obstruir los espacios de pozos para tronadura, mediante la formación ¡n situ de bloques de espumas rígidos producidos a partir mezclas bicomponentes de resinas con catalizadores, donde las resinas son a base de formaldehído tales como resinas de fenol-formaldehído (PF), resinas de urea-formaldehído (UF), resinas de melamina-formaldehído (MF), resinas de melamina urea formaldehído (MUF), resinas de fenol resorcinol-formaldehído (PRF), resinas en base de formaldehído modificadas con lignina o taninos, y sus derivados

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN

En la industria de la minería, las tronaduras son una parte muy importante de las actividades extractivas puesto que sus resultados inciden en los costos económicos y operacionales de las etapas posteriores a la extracción.

La tronadura es la operación que tiene por finalidad extraer el mineral desde el macizo rocoso, aprovechando de la mejor manera posible la energía liberada por el explosivo colocado en los pozos realizados en las etapas de perforación y tronadura. Durante el proceso de tronadura es de especial interés logar maximizar la fragmentación de la roca y sus respectivos efectos logísticos, económicos y ahorros de energía en los procesos operacionales posteriores, tal como la molienda del material y minimizar los efectos negativos. Para lograr maximizar la fragmentación, es necesario manejar diferentes variables en el proceso productivo, como por ejemplo el tipo de explosivo, densidad del explosivo, factor de carga, diseño de malla, y/o frecuencia de las detonaciones entre otras variables. Producto del proceso de tronadura, se produce una gran emisión de ruido y levantamiento de material particulado, los que pueden afectar a comunidades aledañas y a trabajadores presentes en sus operaciones, y de sobrepasar los límites de ruido y material particulado establecido en la norma ambiental, las compañías mineras se enfrentan a graves sanciones ambientales.

Los pozos de detonación presentes en un sector que se desee tronar pueden tener distintas profundidades, generalmente hasta 30 metros (en cielo abierto) y diámetros que pueden llegar en promedio a 45,72 centímetros (18 pulgadas) dependiendo del diseño de la tronadora. Los pozos puedes tener en el fondo agua o barro. Los pozos son cargados con el explosivo adecuado y posteriormente sellados con material para contener los gases liberados durante la detonación. A este sellado se le denomina taco y se construye comúnmente con el material que sobra de la perforación del pozo (detritus). El proceso descrito se realiza de esta manera debido a la facilidad de construcción (manualmente con palas o maquinaria liviana) y a la buena disponibilidad del material, el que genera una especie de tapón por el peso de la columna del taco, que puede llegar a ser la mitad de la altura lineal del pozo. Sin embargo, este diseño es poco eficiente en contener la energía producida por el explosivo, lo que se traduce en emisión de ruido y levantamiento de material particulado.

Para mejorar los resultados en la etapa de tronadura, se han incorporado diversas tecnologías relacionadas con el desarrollo de distintos tipos de explosivos y su ubicación al interior del pozo de detonación, así como también, ingeniería y diseño de accesorios y dispositivos que hacen las veces de un taco o tapón de los pozos de tronadura, que tienen el propósito de confinar las cargas explosivas para así poder aprovechar la liberación de energía en la fragmentación y desplazamiento de la roca, permitiendo una mayor eficiencia al momento de la tronadura, y así maximizar la fragmentación de la roca al momento de realizar la tronadura. De esta manera se busca alcanzar efectos beneficiosos en términos logísticos y ahorros de energía en los procesos operacionales posteriores a la tronadura.

DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN

La presente invención está dirigida a una mezcla o composición bicomponente de catalizadores y resinas en base de formaldehído, método y sistema para formar tacos de pozos de tronadura y uso de la composición para llevar a cabo el método de formación de tacos, mejorando los resultados de la tecnología que se conoce y utiliza actualmente.

Las etapas para llevar a cabo la tronadura se inician desde la perforación de los pozos, y dependiendo del tipo de mineral y del área o sector de la mina dependerá el diámetro y la profundidad de los pozos. Las dimensiones de los pozos pueden variar desde los 5 a 20 metros de profundidad por 15 a 80 cm de diámetro. Dependiendo de la profundidad del pozo existe la posibilidad que haya agua o barro.

Convencionalmente, en el proceso de tronadura a cielo abierto, una vez configurado el pozo, se instalan los detonadores al fondo de cada pozo y se carga con el explosivo. Sobre el explosivo se agrega un taco o cutting que corresponde a un relleno de detritus que puede ser del orden de 2 a 4 metros de altura y cuya finalidad es mejorar los índices de fragmentación. Este llenado puede ser realizado manualmente con operarios y pala o con un camión tolva que rellena con detritus cada pozo. Finalmente se realiza la etapa de detonación que generalmente se hace a través de un sistema electrónico.

En la faena minera, habitualmente para realizar la tronadura se construyen entre 20 a 50 pozos en la zona de precorte asociados a la ruptura de la pared y en las zonas de pozos de producción (banco) se construyen entre 30 y 150 pozos asociados a la ruptura de todo el mineral a procesar en la mina.

El objetivo de la construcción los pozos de precorte es minimizar las presiones en los pozos de manera de generar grietas entre pozos adyacentes de la línea del precorte y así también disminuir presiones en los pozos de producción. Esta es una de las razones de que al momento de la tronadura el ruido es mucho mayor en los pozos de precorte que en los pozos de producción.

En un proceso de tronadura, el tiempo de llenado con explosivos y detritus en los pozos convencionales puede oscilar entre 3 a 10 minutos, por tanto el proceso en una faena puede oscilar entre 1 hora (menor número de pozos 20 x menor tiempo 3 minutos) y 25 horas (mayor número de pozos 150 x mayor tiempo 10 minutos) dependiendo de la cantidad de pozos.

En la presente invención, una vez instalado el detonador, y realizado el llenado del explosivo se agrega detritus (cutting) en una cantidad mínima que no supera los 50 cm de altura y posterior a este cutting se agrega la resina de la invención para formar el taco de tronadura. El cutting insertado en el pozo, tiene la finalidad de evitar el contacto de la resina del taco de la presente invención con el explosivo.

La invención de la presente solicitud proporciona la formación de un taco de tronadura, de manera muy eficiente y rápida, y tiene la ventaja de disminuir el tiempo de llenado de los pozos, el cual no supera 1 minuto por cada pozo. Obviamente esta etapa dependerá del volumen y tamaño del taco a rellenar. Por tanto, en una faena normal el tiempo de llenado no superaría las 2,5 horas si se considera una faena con un máximo de 150 pozos comparado con 25 horas de trabajo en el caso de los pozos convencionales. Dependiendo de la profundidad del pozo cabe la posibilidad que exista agua o barro, lo que no afecta la eficiencia de la formación del taco de la invención. En la presente invención, el taco se produce in situ, mediante la reacción química de las resinas en base de formaldehído con un catalizador al que opcionalmente se le agrega un agente de expansión. La mezcla de resina y catalizador pueden ser aplicadas sobre una superficies acuosas o barrosas, dependiendo de la profundidad del pozo, sin afectar las propiedades del taco formado. El taco de detonación producido in situ permite contener la energía de la explosión y maximizar su transferencia hacia la roca, obteniendo una mayor fragmentación de ésta, y a su vez disminuyendo los efectos ambientales no deseados de emisión de ruido y material particulado, que pudieran afectar a los trabajadores de la faena y las comunidades aledañas a la operación minera.

Por otra parte, las reacciones químicas con resinas que forman espumas rígidas son en general altamente exotérmicas, lo que dificulta su uso en operaciones mineras, por lo que no pueden ser usadas en estas faenas ya que los cables de detonación tienen una especificación máxima de temperatura asociada generalmente a temperaturas no superiores a 55 - 60° Celsius. Por lo tanto, la reacción exotérmica de generación de espuma rígida no puede exceder los 50° Celsius como rango de seguridad, de modo de no interferir en una correcta detonación de los explosivos. Si los cables se dañan, por el exceso de temperatura u otro efecto de la reacción, se produce el grave problema de la “no detonación del explosivo” con el consecuente daño operacional y búsqueda de los explosivos no detonados que constituyen un peligro puesto que los explosivos no deben permanecer en aquellos sitios donde no detonaron, y deben ser extraídos de la faena, lo que además involucra gastos operacionales adicionales y excesivos.

Adicionalmente, los manuales de buenas prácticas para suelos reactivos recomiendan utilizar explosivos en suelos con temperatura no mayor a 55°C, para evitar reacciones entre sustancias oxidantes como el nitrato de amonio presente en los explosivos y los materiales reactivos a base de hierro presentes en los suelos.

La formación de tacos llevada a cabo in situ con las resinas de formaldehído de la presente invención, produce una reacción exotérmica de baja energía, lo que representa ventajas en la operación minera.

ESTADO DEL ARTE

La minería a cielo abierto utiliza tacos de detritus, material obtenido de la perforación, el que se encuentra disponible y es muy fácil de manipular. Este taco sella el pozo, pero genera una baja retención de los gases puesto que no presenta cohesión interna, terminando por eyectar gran parte del detritus por el collar del pozo (abertura en la superficie). De esta manera no se logra aprovechar eficientemente la presión de los gases liberados por la detonación, y en consecuencia, la fragmentación de la roca no es la óptima, produciéndose además efectos ambientales no deseados como es una gran emisión de material particulado que afecta tanto a los trabajadores de la faena propiamente tal, como también a las poblaciones aledañas a sectores mineros. Sumado a lo anterior, es muy común el alto impacto ambiental que causa el ruido, tanto en la misma faena como en las comunidades cercanas.

Para solucionar estos problemas, se han diseñado diferentes sistemas para la contención de los gases de la tronadura.

Por ejemplo el tapón de taqueado Stempac ® (Dyno Nobel) que se inserta con una herramienta de inserción en el pozo de tronadura. Es un dispositivo compuesto por un revestimiento relleno de áridos, que se comprime con una herramienta de inserción de manera que se mantenga su posición en el barreno.

El documento WO2018/102058 divulga un tapón para tapar un pozo de tronadura, o tapón retenedor, que comprende un dispositivo formado por dos elementos en forma de cuña alargada fabricados a partir de un material plástico, que se posiciona en el interior del pozo, de manera que al momento de la detonación ambos elementos en forma de cuña ejercen fuerzas diametralmente opuestas contra la pared del tiro de tronadura para bloquear el tapón en su lugar.

Otro ejemplo de un taco retenedor para pozos de tronadura, se divulga en el documento CL201701076, que comprende un disco de separación y un peso, que se integra al disco de separación ubicado al interior de un pozo de tronadura. El disco de separación permite mantener separado el explosivo del taco de carga o tapón de árido, gravilla o detrito para sellar el pozo de tronadura.

Este tipo de dispositivos mecánicos, elaborados generalmente en base a materiales poliméñcos de alta dureza, presentan formas apropiadas para reflexión y refracción de la onda de choque producida por la detonación, pero son poco eficientes debido a que son complejos de instalar correctamente y muchas veces la presión de los gases termina eyectándolos o rompiéndolos.

Otra tecnología que se ha desarrollado se relaciona con la formación de composiciones cementosas para formar tacos de pozos de tronadura, con el objetivo de evitar disipar la energía producida por la explosión. Por ejemplo, el documento US201 1259228 describe una composición geopolimérica de aluminosilicate, que comprende como reactivos: agua; un activador químico que consiste de una sal de metal alcalino, una base de metal alcalino y sus mezclas; y un material reactivo cementoso que comprende: un mineral de aluminosilicate térmicamente activado; un cemento de aluminate de calcio; y un sulfato de calcio.

Este tipo de productos cementosos generan tacos de buena cohesión y alta dureza con buena retención de gases. Sin embargo el uso de estos materiales en una zona de tronadura es poco viable, puesto que requiere una gran cantidad de material y maquinaria pesada para la formación del producto, lo que es poco viable desde el punto de vista logístico en la faena minera, debido a los tiempos de traslado de una gran cantidad de material hacia la zona de tronadura.

Otra tecnología utilizada para formar tacos, o tapones de perforación, está constituida por un sistema de contenedores que incluyen diferentes constituyentes y que pueden formar un tapón in situ. Por ejemplo, el documento WO9514208 divulga un dispositivo que comprende dos bolsas dispuestas una al interior de la otra y a su vez, ambas se encuentran al interior de un contenedor, el cual se localiza cercano a un pozo, y la bolsa interior comprende un compuesto de isocianato y la otra contiene una mezcla de resina de poliol y freón. Al romperse la bolsa interior permite la reacción de isocianato con la resina de poliol y freón de la bolsa exterior, formando una espuma rígida, contenida en el contenedor externo, que se transforma en el tapón de espuma en el pozo de perforación. Por otra parte, el documento ES8800739 presenta un mecanismo similar de formación de un tapón obturador de perforaciones que forma una plataforma a un nivel deseado para soportar los explosivos que permite la formación de espumas al mezclarse diisocianato de metileno polimerizado con poliol.

Otro ejemplo que cumple con la condición de formar in situ un tapón de espuma rígida en un pozo de tronadura se describe en el documento CN108341919, que divulga la formación de una espuma constituida al hacer reaccionar dos componentes poliméricos (poliisocianato y poliéter poliol) y la adición de grafito expandióle y un agente espumante, para llenar un pozo.

El documento US6553887 también divulga formulaciones de espuma que tienen la capacidad de contener y suprimir las explosiones, de manera de reprimir tanto la onda expansiva, como los aerosoles que contienen agentes químicos y biológicos resultantes de la activación de artefactos explosivos. Este documento divulga específicamente una formulación que comprende un tensioactivo (alquil éter sulfates, alfa-olefina sulfonates y alquil sulfosuccinatos), un estabilizador de espuma (alcohol graso de cadena larga), un polialquilenglicol (éter monometílico de polipropilenglicol con un peso molecular de 425) y agua.

Por otra parte, el documento NL6901503 12 divulga la formación de espumas mediante compuestos no poliméricos como jabones aniónicos, catiónicos y no iónicos y sustancias tensioactivas y saponinas y proteínas, o agentes formadores de espuma inorgánica como óxido de aluminio coloidal y ácidos carboxílicos o fosfóricos alifáticos o sus sales, o productos de sulfonación de aceites minerales y alcoholes y extractos de castaño de indias y el documento DE213902414 que divulga una espuma constituida por un humectante sintético aniónico, un alcohol graso, agua, un coadyuvante solubilizante del alcohol, una agente dispersión de un material sintético filmógeno, preferentemente un copolímero de acetato o propionato de vinilo con un maleato de dialquilo o etileno, o un copolímero SB, donde el objetivo es evitar la formación de polvo y la ignición en las operaciones de tronadura.

Otra tecnología relacionada con el campo técnico de la invención se refiere a la formación de geles al hacer reaccionar un agente químico con el agua presente en los pozos, formando tapones o barreras. Por ejemplo, el documento EP3132205 divulga la formación de un gel de poliachlamida con el agua presente en el pozo, útil como material de barrera para la carga de explosivos en los pozos de tronadura. Otro ejemplo es el documento RU2753652 que describe un gel de sílice espumado formado a partir de silicato de sodio, sílice “nanosil-30”, un agente espumante ABSC, ácido ortofosfórico, cloruro de hierro y agua. El tapón de gel formado es útil como un tapón de baja densidad en pozos o perforaciones al triturar masa rocosa durante la extracción de minerales sólidos.

Por otra parte, el documento W02014201514 (CL201503656) divulga la formación de una columna de un gel de un polímero superabsorbente como un cuerpo alargado gelif icado que tiene al menos 25:1 de su propio peso en agua que permite aumentar la eficiencia de una explosión reduciendo la presión de detonación. En este documento, no se divulga de manera específica el agente formador de gel, señalando que las realizaciones descritas usan polímeros superabsorbentes (SAP, del inglés - Super Absorbent Polymers) o cualquier reactivo similar que tenga la capacidad de absorber en una cantidad igual o mayor que 25:1 su propio peso en agua desmineralizada.

Por último, el documento CL201503059 apunta a la formación de un gel de poliacrilato de potasio, útil como material de barrera para la carga de explosivos y/o como tapón de detritus. Estos tipos de tecnología, si bien forman espumas rígidas o geles absorbentes de agua, los que pueden o no generarse in situ, presentan la desventaja de formar tapones poco eficientes, ya que la dureza del producto obtenido no es suficiente para permitir una adecuada retención de material particulado ni la disminución de la emisión de ruido producto de la operación de tronadura.

En el estado del arte, se conocen las resinas de fenol-formaldehído, melanina formaldehído, urea-formaldehido, que combinadas entre sí forman espumas rígidas. Sin embargo, las aplicaciones de los productos obtenidos con estas resinas resuelven problemas técnicos completamente diferentes al planteado en la presente invención.

Por ejemplo, el documento WO9932534 se refiere a un producto ligante como adhesivo en la fabricación de productos de madera, productos de fibra de vidrio y laminados de papel, que comprende una resina de fenol-formaldehido o melamina-formaldehido modificada, basado en los sólidos de la resina, de un prepolímero de urea cíclica.

El documento CN107556514 divulga la formación de espumas rígidas a base de melamina formaldehido, las que se utilizan para la fabricación de tableros de espuma de melamina-formaldehido modificado con politetrahidrofurano para la conservación del calor retardante de llama.

Por otra parte, el documento CN106832762 divulga un método de preparación de una espuma rígida de resina de melamina-formaldehido ignífuga de baja densidad para ser usadas como materiales de aislamiento térmico. El método requiere de etapas de moldeo y secado en horno para obtener la espuma rígida.

El documento CN104448189 divulga un proceso para producir espumas de poliuretano rígidas modificadas con resina fenólica útiles como aislantes térmicos y resistentes al agua, usadas ampliamente como material de aislamiento térmico en tuberías de calefacción urbana, tuberías petroquímicas, equipos de refrigeración y autobuses con aire acondicionado. El documento FR2248296 también divulga un material aislante formado a partir de una espuma rígida constituida por un polímero de estireno termoplástico y una resina curable a base de un condensado de melamina/formaldehído.

Estas resinas también se han utilizado en la fabricación de materiales de construcción como por ejemplo en el documento CN105838025 que divulga un método de preparación de una espuma rígida de poliuretano (PIR) modificada con resina de melamina formaldehído. Como se puede apreciar del estado del arte, existen diversas aplicaciones de resinas de formaldehído, en particular resinas de fenol-formaldehído, melanina formaldehído, urea-formaldehido, combinadas entre sí que forman espumas rígidas, sin embargo, ninguno de estos documentos divulga espumas con las propiedades de la presente invención, y tampoco sugieren su aplicación en otra área como es el de las tronaduras en minería.

Adicionalmente, en el caso de las espumas rígidas a base de poliuretano, presentan la desventaja de que dichos materiales son tóxicos, presentan una alta temperatura de reacción, incompatible con explosivos industriales, además de un alto precio, lo que los hace inviables para uso como tacos de tronadura.

Si bien, la mayoría de estos documentos divulgan la formación de espumas rígidas, ninguno de ellos se enfoca al campo de la minería para formar tacos de pozos de tronadura in situ que contengan la energía de la explosión y maximicen esta transferencia de energía hacia la roca, proporcionando una mayor fragmentación, y a su vez disminuyendo los efectos ambientales no deseados de emisión de ruido y material particulado.

La densidad de las espumas rígidas, juega un papel fundamental en los resultados obtenidos en la presente invención, ya que se ha encontrado que bajas densidades de las espumas rígidas alcanzan mejores efectos que las espumas rígidas en base a poliuretano que tienen densidades en un rango mayor.

Las ventajas de tener densidades bajas, disminuye el volumen de material que hay que mover hacia la faena minera, de tal forma que las espumas rígidas de la presente invención que tienen una densidad de 0,2-0, 3 kg/m ³ , permiten mover cerca de 1/5 del volumen de material necesario para cumplir con los requerimientos, respecto de las técnicas convencionales, lo que tiene un impacto ventajoso en los gastos operacionales y log ísticos. Por otra parte, el uso de espumas de la presente invención, con densidades en el orden de 0, 2 a 0,3 kg/m ³ , han evidenciado una mayor disipación de la onda sonora, por lo tanto disminución en los decibeles como también disminución en emisión de polvo durante la tronadura.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURAS

Figura 1 : muestra fotografías de los resultados experimentales en laboratorio de los mezcla bicomponente resina / catalizador, donde se probaron las siguientes resinas en tubos de policarbonato: (1 ) Resina FENOLICA: PF fenol formaldehído, en relación molar 1 ,6; (2) PUR: Resina Poliuretánica; (3) pMDI: Polimetildiisocianato (Durapro®); (4) pMDI-LS: Polimetildiisocianato de baja reactividad (Durapro®); (5): PRF : Resina Formaldehido / (Resorcinol + Fenol) en una relación molar de 0,8 a 1 ,0; (6) MUF-1 : Resina Formaldehido / (Melanina + Urea) en una relación molar de 1 ,2 a 1 ,8 (de baja viscosidad); (7) MUF-2: Resina Formaldehido / (Melanina + Urea) en una relación molar de 1 ,2 a 1 ,8 (de alta viscosidad).

Figura 2: Evolución de la temperatura de la superficie en función del tiempo medida en la formación de espuma rígida de Resina FENOLICA: PF fenol formaldehido, en relación molar 1 ,6; PUR: Resina Pilouretanica; pMDI: Polimetildiisocianato (Durapro®); pMDI-LS: Plimetildiisocianato de baja reactividad (Durapro®); PRF: Resina Formaldehido / (Resorcinol + Fenol) en una relación molar de 0,8 a 1 ,0; MUF-1 : Resina Formaldehido / (Melanina + Urea) en una relación molar de 1 ,2 a 1 ,8 (de baja viscosidad); MUF-2: Resina Formaldehido / (Melanina + Urea) en una relación molar de 1 ,2 a 1 ,8 (de alta viscosidad).

Figura 3: representa un esquema de la configuración y diseño de los pozos de tronadura en comparación con un esquema de taco convencional de acuerdo a los parámetros de la tabla 3.

Figura 4: Flujograma de carga de pozos de tronadura con la mezcla de resina- catalizador de la presente invención.

Figura 5: gráfico de exotermicidad de la superficie durante la formación de espuma de la presente invención, medida en el tiempo (segundos), a temperatura ambiente de 20°C.

Figura 6: Secuencias fotográficas de tronadura a tiempo 0, 30 y 50 milisegundos. Superiores: tronadura convencional con taco de detritus; Inferiores: tronadura con tacos de resina fenólica de la presente invención.

DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN

La presente invención corresponde a un método de producción de tacos de materiales poliméricos rígidos en pozos previamente cargados con explosivo, donde estos tacos se producen in situ, mediante la reacción química de resinas a base de formaldehido, un agente catalizador y aditivos que le confieren distintas propiedades de densidad, dureza, pH, etc. al material a utilizar. Las resinas son del tipo fenol-formaldeído (PF), fenol-resorcinol-formaldehído (PRF), melanina-urea-formaldehído (MUF) y/o lignina formaldehido.

El problema técnico, que soluciona la invención en estudio, ha sido abordado de diferentes formas en el estado del arte. Sin embargo, en el arte previo no se divulga la solución planteada en la presente invención, relacionada con un método para formar tacos in situ a partir de resinas a base de formaldehido.

El método para la formación in situ, consiste en llenar el pozo de detonación a una determinada altura con los agentes reactivos, llevándose a cabo la reacción al momento de la mezcla, lo que otorga la ventaja que este método requiere de un tiempo muy corto para la formación del taco. El taco formado in situ permite contener la energía de la explosión y maximizar la transferencia de esta energía hacia la roca, lo que se traduce en una mayor fragmentación de la roca disminuyendo considerablemente los costos operacionales de las etapas productivas posteriores a la extracción. Adicionalmente, los tacos obtenidos mediante el método de la presente invención, presenta la ventaja adicional de disminuir los efectos ambientales no deseados de emisión de ruido y material particulado, que pudieran afectar a los trabajadores de la faena y las comunidades aledañas a la operación minera.

El sistema que permite el método de aplicación de los agentes formadores de espuma rígida consiste en un mezclador-aplicador capaz de manipular sustancias altamente corrosivas y mezclar los reactivos de manera homogénea, en las concentraciones necesarias y óptimas para formar los materiales que servirán de tacos de tronadura.

El método de construcción de los tacos de tronadura obtenidos mediante la presente invención, utilizando materiales poliméhcos derivados del formaldehido y compuestos fenólicos, ha permitido sorprendentemente aumentar en al menos un 25% la fragmentación de la roca y disminuir en al menos un 50% la reducción de presión de aire en los sistemas de monitoreo, los decibeles de la detonación y material particulado, en comparación con los métodos que se utilizan normalmente en dichas faenas mineras.

Es conocido que las resinas a base de fenol-formaldehido pueden ser producidas de manera tal, que su temperatura y tiempo de fraguado (proceso de endurecimiento) sea determinado por los distintos parámetros fisicoquímicos que la caracterizan, tales como cantidad de sólidos totales, el pH, la relación molar entre formalina/fenol y/o urea, melamina, resorcinol, el tamaño del polímero y la alcalinidad. Si esta resina se mezcla con aditivos capaces de generar un gas durante el proceso de fraguado, se puede obtener un material de alta porosidad (espuma), el cual puede presentar distintas características de elasticidad, dureza, tenacidad, plasticidad. Estas características, aparte de depender de la composición interna de la resina utilizada, pueden ser un reflejo de la cantidad y la velocidad de la reacción al momento de fraguar, lo que va dictaminado por el tipo, concentración y cantidad de catalizador agregado a la mezcla reactiva.

Además, a la resina a base de formaldehido, se pueden agregar otros aditivos, como pueden ser agentes espumantes, tensoactivos, rellenos, tampones, o cualquier otro aditivo compatible con las características de fraguado necesarias para la aplicación. Por lo tanto, al controlar la composición de una resina a base de formaldehido mezclada con aditivos específicos, que forman un catalizador especialmente diseñado, se obtienen materiales con características adecuadas para el uso como taco en pozos de minería.

El material que constituye el taco de tronadura de la presente invención se forma a partir de una composición o mezcla bi-componente que comprende una resina a base de formaldehido y un catalizador adecuado para dicha resina.

Las resinas utilizadas como material formador del taco son sintetizadas a base de formaldehido y otro co-monómero capaz de formar un co-polímero estable con el formaldehido y de características adecuadas al uso deseado. Dichos co-monómeros pueden ser elegidos de (sin limitarse a) fenol, urea, melamina, resorcinol, etc. Además, se pueden utilizar bloques de materiales semi polimehzados como pMDI (Polimetildiisocianato), o cualquier material a base de petróleo capaz de reaccionar con el formaldehido. Además, se puede utilizar materiales renovables como taninos, lignina, o cualquier otro material lignocelulósico capaz de copolimerizar con el formaldehido.

Los copolímeros mencionados, pueden ser utilizados también como mezclas. Los polímeros a base de formaldehido, pueden ser utilizados en distintas relaciones molares, con tamaños y grados de polimerización, viscosidades, condiciones de pH y cantidad de sólidos totales adecuadas para el uso como material para el taco.

Las composiciones de resinas mencionadas pueden contener otro tipo de sustancias que le incorporen características deseadas al material que se utilizará como taco, como puede ser (sin limitarse):

- Modificadores reológicos que brinden características de fluidez o reología particular, por ejemplo, polímeros o prepolímeros acrílicos, uretánicos, carbohidratos, materiales lignocelulósicos, etc.

- Tensoactivos que brinden al material características antiespumantes o espumantes. - Tampones o reguladores de pH adecuado para el fraguado del material, dichos tampones pueden ser de tipo inorgánico u orgánico.

- Agentes gasificantes, como pentano, hexano, diclorometano o cualquier otro aditivo que genere gas durante la reacción de fraguado del material a utilizar como taco.

- Agentes expansores como por ejemplo, sales carbonatadas o policarbonatadas, solventes orgánicos miscibles con la resina fenólica, melamínica (MUF) o PRF de cadena no superior a 6 carbonos.

Las resinas descritas anteriormente se hacen reaccionar con un catalizador, dependiendo del tipo de resina a utilizar.

Los catalizadores son escogidos tomando en cuenta el tipo de resina, por lo que se pueden utilizar catalizadores ácidos, básicos o a base de un agente reticulante que le permita generar un material adecuado para uso como taco.

Los catalizadores ácidos pueden ser seleccionados de (sin limitarse) ácidos minerales tales como ácido sulfúrico, ácido clorhídrico, ácido nítrico, ácido fosfórico, o mezclas de los mismos. Los catalizadores también pueden ser seleccionados de ácidos orgánicos tales como, ácido fórmico, ácido láctico, ácidos derivados benzensulfónicos, ácido cítrico, ácido acético, o mezclas de los mismos. Como se mencionó los ácidos pueden ser utilizados en mezclas en proporciones adecuadas para la reacción de fraguado de la resina a utilizar.

Los catalizadores básicos pueden ser seleccionados de (sin limitarse a) bases minerales tales como hidróxido de potasio, hidróxido de bario, hidróxido de sodio, hidróxido de calcio, o mezclas de los mismos. Los catalizadores también pueden ser elegidos de bases orgánicas como dietilamina, trietilamina, etanolamina o mezclas de los mismos. Como se mencionó los ácidos pueden ser utilizados en mezclas en proporciones adecuadas para la reacción de fraguado de la resina a utilizar.

Los catalizadores a base de agentes reticulantes o endurecedores, pueden ser seleccionados de (sin limitarse a) pMDI, eritritol y sus derivados, polioles, resinas acrílicas, polivinil alcoholes, formaldehido, derivados succínicos, formaldehídos alcalinos tal como Resorplus®, derivados glicidol y epóxidos o mezclas de los mismos o cualquier compuesto bi o multi funcional capaz de endurecer la resina mencionada. Cada uno de estos componentes o sus mezclas pueden ser utilizados de manera sinérgica con uno o más de los catalizadores ácidos o básicos mencionados en los párrafos anteriores. Los catalizadores pueden estar constituidos por uno o más de los agentes mencionados anteriormente.

La relación peso/peso de la mezcla bi-componente de resina respecto del catalizador (resina/catalizador) está en el rango de 9:1 a 1 :9; de preferencia entre 3:1 a 1 :3. Dependiendo del tipo de sistema y catalizador utilizado puede ser incluso de 2:1 a 1 :2, de forma tal de generar un material de espuma rígida con una dureza entre 1 a 10 N/mm ² .

En particular la composición o mezcla bi-componente de la presente invención está constituido por una resina de fenol-formaldehído (PF) o una resina de melanina-urea- formaldehído (MUF), en una proporción de los componentes de resina de 50+/-20% en peso, lo que significa una proporción de 30 a 70% de un componente y de 70 a 30% del segundo componente de resina. Esta mezcla de resina se hace reaccionar in situ, es decir, en el mismo pozo de tronadura con el catalizador, de preferencia en una proporción 50+/-20% referida al peso de la mezcla total, y aditivos en las proporciones requeridas.

EJEMPLOS

Ejemplo 1 :

Se construyeron tacos a escala de laboratorio, con el fin de demostrar las propiedades fisicoquímicas y mecánicas de la mezcla bicomponente de resina y catalizador de la presente invención comparado con tacos producidos con componentes utilizados en el estado del arte.

Se probaron tacos formados con las siguientes resinas:

PF: Resina fenol formaldehido, en relación molar 1 ,6 (invención).

PUR: Resina Poliuretanica (comparativo); pMDI: Polimetildiisocianato (Durapro®) (comparativo); pMDI-LS: Plimetildiisocianato de baja reactividad (Durapro®) (comparativo);

PRF: Resina Formaldehido / (Resorcinol + Fenol) en una relación molar de 0,8 a 1 ,0 (invención)

MUF-1 : Resina Formaldehido / (Melamina + Urea) en una relación molar de 1 ,2 a 1 ,8 (de baja viscosidad) (invención)

MUF-2: Resina Formaldehido / (Melamina + Urea) en una relación molar de 1 ,2 a 1 ,8 (de alta viscosidad) (invención) La tabla N ^e 1 describe las mezclas bicomponentes de resina-catalizador de la presente invención y espumas producidas con resinas comerciales como comparación y la tabla 2 muestra las composiciones de los catalizadores utilizados.

Tabla 1 : Composición de espumas producidas con resinas y catalizadores de acuerdo con la presente invención en comparación con otras espumas comerciales.

Tabla 2: catalizadores utilizados para la formación de la mezcla bicomponente de la tabla 1 .

Las pruebas se llevaron a cabo en tubos de policarbonato transparente de 40 cm de largo y 10cm de diámetro. Estos tubos se llenaron con gravilla a una altura de 22 cm, y sobre la gravilla se vertió 300 g de mezcla de resina-catalizador, tal como se muestra en la Figura 1 .

Se realizaron mediciones para registrar el grado de difusión de la mezcla bicomponentedentro de la gravilla, tiempo de fraguado, grado de expansión y la temperatura máxima alcanzada por la mezcla en la superficie y fondo. La Tabla N ^s 3 muestra un resumen de los resultados promedio obtenidos de las varias pruebas de laboratorio. La numeración 1 a 7 de las columnas se correlaciona con numeración de la fotografía de la Figura 1 .

Tabla N ⁹ 3 Resume resumen de los resultados obtenidos de las pruebas de laboratorio.

Como es posible apreciar de los resultados expuestos en la tabla 3, los parámetros de expansión y cambio de volumen de las resinas formadas permiten establecer un control para la formación del taco, de manera de extrapolarlo a un pozo de tronadura y no sobrepasar los límites del volumen que pueda contener el pozo al formar el taco.

También es posible apreciar que el tiempo de fraguado de la mezcla bicomponente de la presente invención representa un tiempo considerablemente inferior a la formación de espumas rígidas formadas con las otras resinas probadas.

Al hacer reaccionar las resinas y catalizadores para la formación del taco, se midió la evolución de la temperatura en función del tiempo, tal como se muestra en la figura N ^e 2, donde se pudo constatar que las temperaturas de fondo se mantuvieron constantes a excepción de la mezcla pMDI (comparativo), la cual alcanzó más de 100°C. Por lo tanto es posible establecer que las composiciones de la presente invención tienen la ventaja de mantener una temperatura igual o inferior a los 40 ^e C lo que es una ventaja en la operación de detonación, puesto que los cables de detonación tienen límites y estándares de segundad los cuales no pueden operar a temperatura mayores de 55° dado que sobre esa temperatura los cables pueden presentar fallas, podiendo inhibir una correcta detonación, con todos los problemas asociados al llamado tiro quedado lo que implica situaciones de riesgo en la mina al quedar explosivos latentes. Por lo tanto, temperaturas exotérmicas inferiores a 40° Celsius es una condición muy deseable. Ejemplo 2:

Se optimizaron las propiedades fisicoquímicas de las fórmulas experimentales a nivel de laboratorio del Ejemplo 1 , de tal forma de generar compuestos estables para ser utilizados en tronaduras en terreno con material explosivo, para verificar la factibilidad y posible escalabilidad del prototipo.

Se realizó una prueba de la invención para evaluar el método de formación de un taco de tronadura basado en una resina de formaldehído y un catalizador de la invención, que al ser aplicados in-situ , es decir en terreno, reaccionan y generan la espuma rígida. La prueba incluyó su comparación con tacos convencionales.

La mezcla de resina de formaldehído - catalizador se carga directamente en los pozos en la cantidad requerida, de acuerdo al diámetro y profundidad del pozo, esto es del orden de 2 a 100 kg, considerando un volumen de expansión de 3 a 5 veces el volumen cargado de la mezcla. El tiempo que demora la carga del pozo es de alrededor de 30 segundos a 5 minutos, dependiendo del volumen de carga, y el tiempo de formación de la espuma es del orden de 3 a 10 minutos, también dependiendo del volumen de carga.

Para el ejemplo en terreno, se consideraron pozos con tacos a base de la mezcla bicomponente de resina Fenólica-catalizador de la presente invención y pozos convencionales con cutting. Cutting se refiere al material molido obtenido de la perforación del mineral durante la fabricación del pozo, utilizado como único constituyente para un taco convencional. Los pozos con tacos de la presente invención presentan en su diseño un cutting en una fracción proporcionalmente mínima.

Se mantuvo constante el diseño de perforación, configuración de carga y detonación. En la tabla 4 se encuentran los parámetros del diseño de perforación y tronadura de los pozos.

Tabla 4: Parámetros del diseño de perforación y tronadura

La figura 3 representa un esquema de la configuración y diseño de los pozos de tronadura de acuerdo a los parámetros definidos en la tabla anterior.

La figura 4 muestra un flujograma de la modalidad preferida del método de aplicación de la mezcla bicomponente de resina-catalizador de la presente invención, el que se monta en un camión para dotar de movilidad al sistema.

El sistema de aplicación comprende un primer estanque que contiene la resina y un segundo estanque que contiene el catalizador. En la modalidad preferida, los estanques tienen un volumen aproximado de 1 metro cúbico.

Un primer flujo se origina desde el primer estanque gracias a una primera bomba. La primera bomba puede ser una bomba de tornillo o centrífuga, siendo accionada, por ejemplo, por un motor que se alimenta de un generador. El primer estanque también puede comprender un agitador mecánico interno, para la homogeneización y recirculación de la resina, además, puede incluir un calefactor para mantener la temperatura necesaria en condiciones de baja temperatura ambiente. Alternativamente, el segundo estanque también puede incluir dichas características (no mostrado en la figura 4).

Un segundo flujo se origina desde el segundo estanque, gracias a una segunda bomba. La segunda bomba puede ser una bomba neumática, accionada, por ejemplo, por un compresor que también se alimenta del generador.

Ambos flujos están estandarizados en una relación (resina- catalizador) predeterminada que puede ser desde 3:1 hasta 1 :3.

Como se aprecia en la figura 4, el primer flujo y el segundo flujo se dirigen, pasando por diversas válvulas, hasta un mezclador, por ejemplo, un mezclador estático, logrando la homogeneización del catalizador y la resina. Una vez realizada la mezcla, la misma es depositada directamente en el pozo de tronadura. La figura 4 también muestra que la modalidad preferida del método de aplicación presenta diversas válvulas, las que permiten o niegan el paso de los flujos. Tanto el primer flujo como el segundo flujo pueden ser redireccionados a sus estanques correspondientes mediante, por ejemplo, válvulas de alivio en el caso de que las presiones sean lo suficientemente altas y/o las demás válvulas estén cerradas.

El compresor adicionalmente es utilizado para proporcionar un flujo de aire al momento de detener el sistema o finalizar la aplicación de la mezcla. Dicho flujo de aire permite la limpieza de las cañerías, y particularmente para evitar que se depositen restos de la mezcla homogeneizada y solidificada en el mezclador estático.

El primer, segundo y flujo de aire se pueden regular de forma manual, gracias la lectura de diversos medidores de flujo másico, o de manera automática, mediante un controlador lógico programadle (PLC).

La cantidad de mezcla de resina-catalizador a cargar en los pozos de tronadura se calcula de acuerdo al diámetro y altura del pozo considerando una expansión de 3 a 5 veces el volumen de formación de espuma. El tiempo de carga de un pozo es de aproximadamente es de 30 segundos a 1 minuto y con un tiempo de formación de espuma del orden de 40 a 60 segundos.

El mezclador utilizado en la prueba corresponde a un static mixer de 30 cm de longitud, de 1 pulgada de ancho (2,54 cm) con un diseño de caudal que oscila de 1 a 200 L/minuto.

El procedimiento efectuado para llevar a cabo la formación del taco y posterior detonación y tronadura con la espuma rígida de la presente invención comprende los siguientes pasos

- cargar el explosivo al fondo de cada uno de los pozos, 28,7 Kg de ANEO (del inglés: Ammonium Nitrate - Fuel Oil)

- cargar con una capa detritus o piedra (1 -2 Kg de material equivalente a 0,5 m) para sellar y evitar el contacto de la espuma de la invención con el explosivo,

- cargar 3,5 Kg la espuma de invención de acuerdo al método descrito anteriormente, en un tiempo de 30 segundos a 1 minuto.

- fraguado de la espuma de la invención, que dura entre 1 a 3 minutos.

- terminada la operación de llenado de los pozos se evacúa la zona y se procede a la de detonación de los mismos. Para su comparación, los pozos convencionales se cargaron con 2 metros de detritus y sin la espuma de la presente invención. El tiempo de carga de dichos pozos convencionales fue en promedio de 5 minutos.

Después de la detonación se realizan mediciones de presión de aire e inspección con cámara aérea para determinar la emisión de polvo y altura de las columnas de humo.

El tiempo de reacción de fraguado total de la espuma rígida de la presente invención osciló entre 1 a 3 minutos, esto es, el tiempo en que la espuma rígida alcanzó la dureza final. Por tanto, la reacción llega a su término de manera muy rápida lo cual otorga una productividad altamente eficiente en la carga de los tacos y de explosivos en la zona de tronadura.

La densidad de la espuma obtenida fue del orden de 0,25 g/m y la rigidez de la misma fue del orden de 2 N/mm ² . Dichos valores obtenidos de la espuma mejoraron el rendimiento de las tronaduras, permitiendo retener una mayor cantidad de ruido y de expansión de energía al momento de la detonación, y también permitieron obtener una fragmentación mayor de la roca, con respecto a los pozos tradicionales.

La prueba realizada en terreno, mostró un máximo de exotermicidad a los 6,5 segundos, siendo la temperatura máxima alcanzada en la superficie de la espuma de 40,6 ^e C, tal como se muestra en la Figura N ^e 5, proporcionando seguridad y la ventaja de mantener los cables en buen estado y no ser dañados por efecto de la temperatura.

Mediante imágenes de grabación en cámara lenta, a una velocidad de 240 cuadros por segundo, fue posible obtener el tiempo de retención y altura de eyección de la detonación. El tiempo de retención también es conocido como velocidad explosiva, y es la velocidad a la que el frente de onda de choque viaja a través de un explosivo en detonación.

Las imágenes de grabación demostraron que la prueba llevada a cabo en terreno permitió la contención de los gases en los pozos con tacos formados con la resina fenólica de la presente invención con un retardo de la eyección de 50 milisegundos con respecto al punto de inicio de la detonación marcado por un sistema electrónico en el pozo convencional que no presenta espuma, y una disminución de la altura de la eyección de 15 metros de los tacos convencionales a 5 metros en los tacos de la invención.

En la Figura 6 se presentan fotografías que fueron tomadas en los mismos tiempos comparativos al realizar una tronadora con y sin tacos de la invención. Tanto las fotografías superiores (tronadura convencional) como inferiores (tronadora con el taco con la resina de la presente invención), fueron captadas con un dron durante la faena a los tiempos 0, 30 y 50 milisegundos.

Además de la altura medida en ambos casos se observa claramente la densidad del humo y polvo que se refleja en las fotografías superiores al momento de tronar en comparación con las fotografías inferiores donde se aprecia una menor densidad del humo incluso hay sectores de tronado donde no hay eyección de polvo en los pozos.

Por otra parte, la tronadura en los tacos de la invención produjo una zona tronada con mayor fragmentación, comparado con un taco de tronadura convencional, donde los porcentajes de disminución de tamaño de roca oscilaron entre 30-50% respecto de la tronadura convencional.

También se midió la reducción de presión de aire la que se correlaciona matemáticamente mediante un software con la intensidad sonora durante la tronadura, produciéndose una disminución entre 50 y 90% de los decibeles con respecto a una tronadura convencional.

Para determinar el comportamiento de los explosivos y la medición de decibeles se consideraron dos tronaduras convencionales, con la misma configuración de diseños de pozos definidos en este ejemplo. Así mismo se realizaron 3 tronaduras con los tacos de la invención, en las mismas condiciones para comparar con el comportamiento de ruidos de los tacos convencionales. La tabla N ^e 5 entrega un resumen de las mediciones realizadas.

Tabla 5: Mediciones en terreno para determinación de reducción de ruido en tronaduras con tacos cargados con la mezcla bicomponente de la presente invención (PF + catalizador) en comparación con tacos cargados con detritus en tronaduras convencionales