9.A Esplosivi

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Per quegli speleo aspiranti tecnici minerari riportiamo un esempio di analisi teorica per la preparazione di cariche esplosive.

9.A.1 Caratteristiche degli esplosivi

La piu` significativa trasformazione di energia durante la detonazione e` la produzione di calore, e affinche` l'esplosione produca un cambiamento di pressione (che accompagna la produzione di calore) devono essere presenti o generati dei gas. Una sostanza e` chimicamente un utile esplosivo se:

• la reazione esplosiva puo` essere iniziata tramite applicazione di calore o shock ad una piccola porzione di materiale,
• la reazione deve procedere rapidamente (prima che i gas generati si dissipano)
• la reazione deve generare abbastanza calore per espandere i gas e produrre una alta pressione
• i gas devono essere generati in quantita` sufficiente per lo shock richiesto.

La potenza di un esplosivo e` una misura della quantita` di energia rilasciata, ed e` percio` una funzione dell'ammontare di calore e gas prodotti. Si esprime come volume (in cm³) di gas prodotto da 10 gr di carica inserita in un foro cilindrico (diametro 25 mm, profondo 125 mm) in un blocco di piombo (di lato 200 mm) e intasata con sabbia asciutta.
La brillanza e` una misura dell'effetto distruttivo ed e` in relazione a quanto rapidamente il calore e il gas vengono prodotti.

Le proprieta` chimico fisiche da cui dipende l'impiego di cariche esplosive sono:

• Energia chimica immagazzinata: e` la quantita` di calore fornita da 1 Kg di esplosivo all'atto della detonazione.
• potere dirompente: rappresenta la pressione dei gas prodotti dall'esplosione. Dipende dalla loro quantita` (numero di moli), temperatura, e dalla velocita` di detonazione.
• temperatura di detonazione: e` la tempertaura raggiunta dai prodotti dell'esplosize all'atto della detonazione.
• temperatura di accensione: e` la temperatura alla quale la sostanza detona esplodendo.
• Velocita` di detonazione: e` la velocita` con cui si propaga la reazione chimica; solitamente pari ad alcune migliaia di m/sec.
• Sensibilita` all'urto e allo sfregamento.
• Grado igroscopico.
• Sensibilita` alla luce.

Gli effetti dell'esplosione nei lavori di mina dipendono dalla entita` dell'impulso iniziale, e dall'ostacolo posto alla espanzione dei gas prodotti dalla esplosione. I principali requisiti delle cariche esplosive da grotta sono dunque:

• adeguato potere dirompente: il calcare ha una resistenza a pressione variabile da 800 a 1600 Kg/cm².
• inalterabilita` all'azione dell'umidita`.
• sicurezza di maneggio e trasporto (insensibilita` agli urti).
• facilita` di conservazione e inalterabilita` a basse o alte temperature.
• affidabilita` di detonazione.
• non produrre esplodendo gas dannosi all'organismo umano (es. CO).

9.A.2 Esplosivi commerciali

I principali esplosivi da mina d'uso commerciale sono

• gelatina esplosiva (gomma A). Consiste di nitroglicerina (92 %), e cotone collodio (8 %). E` plastica, non igroscopica, ma risulta sensibile agli urti. Congela a 7 <sup>o</sup>C. Ha una potenza di 620 e alpha=0.16.
  Altre gomme contengono gelatina, nitrato di sodio e polveri assorbenti: gelatine dinamite I e II. Sono miscugli di gelatina e nitrato sodico in percentuali 63, 37 e 44, 56 rispettivamente. Hanno una potenza di 400 e 300 rispettivamente.
• Esplosivi al nitrato di ammonio. Sono igroscopici ed hanno una bassa temperatura di esplosione (1500-1800 <sup>o</sup>C). Inoltre hanno prodotti di esplosione non combustibili. La potenza e` circa 390, e alpha=0.23.
• Esplosivi al clorato. Sono molto igroscopici. Potenza circa 300 e alpha=0.32.
• Esplosivi ad ossigeno liquido. Questi devono essere immersi in ossigeno liquido appena prima dell'impiego (dieci minuti al massimo). Sono da escludersi per l'impiego ipogeo.
• Polvere nera. Consiste di una mistura nitrato di potassio (KNO₃), zolfo e carbone, il primo come ossidante, gli altri due come combustibili. Le proprozioni sono circa 8:1:1 in peso. Ha grado alpha=0.56. Produce una pressione massima di circa 3000 Kg/cm².

  La reazione di combustione e`

  2 KNO₃ + 3 C + S --> K₂S + 3 CO₂ + N₂

  ma produce anche CO, CS₂, K₂O, ossidi di azoto, ossidi di zolfo, e altro, in quantita` che dipendono dalle condizioni di combustione (temperatura e pressione).

• Tritolo (TNT) o 2,4,6-trinitrotoluene (C₇H₅N₃O₆). Formato attaccando tre gruppi nitrici all'anello del toluene. La reazione fra toluene e acido nitrico e` catalizzata dall'acido solforico. Il primo gruppo si attacca spontaneamente a temparatura ambiente. Per il secondo occorre scaldare la soluzione a circa 60^oC, per superare la barriera energetica. Per il terzo bisogna arrivare a circa 85^oC.

  E` un esplosivo giallo solito molto stabile, e conservabile per lunghi periodi. Relativamente insensibile a urti e sfregamenti, non forma composti sensibili con i metalli. Reagisce con alcali formando composti molti instabili ed esplosivi per urto o risacldamento. FIXME: Le cariche di tritolo possono trasudare un liquido oleoso marrone, infiammabile e contenente particelle di tritolo.] Ha bisogno di un altro esplosivo per detonare, perche` deve essere portato ad elevata pressione. Produce una pressione massima di circa 11000 Kg/cm². Il tritolo e` un esplosivo a combustione incompleta e genera molto ossido di carbonio. Per tale motivo e` sconsigliato in speleologia.

  Esposizione a TNT provoca disturbi quali anemia, disfunzioni epatiche, irritazioni cutanee, cataratta. La contaminazione puo` avvenire per inalazione, o ingerendo acqua o cibo contaminati. In superficie e` velocemente degradato dalla luce solare. In sedimenti la degradazione e` piu` lenta

• Cyclotrimetilenetrinitramina (RDX) o ciclonite. E` un esposivo solido bianco cristallino molto stabile. Solitamente usato in misture con altri esplosivi, oli e cere (desensibilizzatori e plasticizzatori). Considerato il migliore esplosivo per potenza e brillanza.
• Cordone esplosivo [FIXME ???] Dovrebbe essere un cordoncino contenente esplosivo per circa 24 gr/metro. Entra bene nel foro da 8 mm. A causa della ridotta quantita` di esplosivo necessita di un foro lungo: almeno 20 centimetri per avere quasi 5 grammi di esplosivo, a cui si aggiungono quelli del detonatore (0.8 gr). Quindi un maggior impiego di trapano e batteria. L'esplosione produce 320 ppm per grammo di CO. (Il detonatore 120 ppm).

9.A.3 Analisi chimico-fisica di un esplosivo

Consideriamo a titolo di esempio la polvere nera che e` l'esplosivo utilizzato nelle cartuccie da caccia. Essa consiste di un miscuglio di nitrato di potassio KNO<sub>3</sub> (75 %), carbone, C (13 %), e zolfo, S (12 %). Il peso molecolare effettivo risulta abbastanza basso, P<sub>m</sub>=0.75   50 + 0.13   12 + 0.12   16 = 41. La reazione di combustione e`

Il coefficiente a determina la percentuale di monossido di carbonio prodottasi. La resa molare e` di circa 12 moli di gas per 8 moli di polvere nera, cioe` circa 1.5. Questa risulta abbastanza bassa rispetto ad altri esplosivi industriali e militari, ma e` (parzialmente) compensata dal basso peso molecolare: un kilo do esplosivo contiene 24.4 moli e percio` produce circa 37 moli di gas.

Il bilancio termico di questa reazione e`

L'ultimo termine Q rappresenta il calore prodotto, per mole (effettiva) di esplosivo; questo calore e` quello che riscalda i gas e li porta ad elevata pressione. Il penultimo termine tiene conto del fatto che i calori di reazione sono forniti a pressione costante, mentre la reazione avviene praticamente a volume costante.

Il calore prodotto per mole e` circa
[FIXME Assumendo Q(KNO₃)= 70 + Q(K-O), Q(K₂O₂)=33 + 2 Q(K-O)]

L'incremento di temperatura dei gas prodotti e` quindi (assumendo un calore specifico a volume costante medio C_v=6 Cal/K ) DT = ( 18000 / 1.5 ) / 6 = 2000.

La pressione dei gas e`

dove V e` il volume specifico effettivo, cioe` il volume del foro (im cm³) diviso il peso della polvere nera utilizzata (in gr). Ricordiamo che 1 atm = 100000 N/m² = 1 Kg/cm² e la costante dei gas vale R=8.31 J-Mole/^oC .

Tenuto conto dei valori di resistenza delle roccie calcaree (circa 70 Kg/cm² per la resistenza al taglio v. sez 9.A.5) e dell'area di taglio su cui si frattura la roccia in seguito all'esplosione della carica, si puo` ottenere una stima della quantita` di polvere necessaria. Approssimando l'area di taglio con una superficie conica di altezza e raggio pari alla profondita` H della carica (A=4.5 H²) si ha

9.A.4 Lavori da mina

La formula empirica utilizzata dal genio militare per valutare la carica necessaria ad un lavoro da mina e`

dove alpha rappresenta il potere dirompente dell'esplosivo, h e` la profondita` del centro della carica (in cm), m e` un coefficiente che dipende dalla roccia:

Questa tabella mostra che una roccia fessurata richiede circa 1.7 volte piu` esplosivo di una roccia compatta.

Credo che questa formula sia applicabile ai casi in cui si ha frantumazione di un volume di roccia, in cui cioe` l'energia viene diffusa su un volume di roccia. Infatti c'e` una dipendenza H³ dalla profondita`. Nell'impiego in grotta le esplosioni hanno un impatto piu` limitato, spesso ridotte a staccare una "fetta" di roccia, per cui mi sembra piu` applicabile la formula riportata nella sezione precedente.

9.A.5 Caratteristiche delle roccie calcaree

Le caratteristiche fisiche, ed in particilare di resistenza, delle roccie calcaree variano a seconda del grado di compattezza e uniformita` della roccia. Il carico di rottura del calcare varia da 400 a 800 Kg/cm². Distinguiamo varie tipologie in base alla matrice che compone la roccia

• calcari compatti; sono roccie calcaree molto pure (con percentuali di CaCO₃ superiori al 90%), a grana molto fine (microcristalline con granuli dell'ordine di 0,10 mm), e poco porosi;
• calcari marnosi: sono calcari meno puri (70-90%), microcristallini (0.10 mm);
• calcari selciferi: roccie calcaree con abbondante contenuto di selce (silicati ???), presente anche in granuli, noduli e laminazioni;
• calcari inomogenei: calcari a matrice organica, abbastanza porosi (10%), con presenza di materiali intrusi ceh ne riducono la compattezza e la resistenza.

[FIXME IN QUALE CATEGORIA VANNO I CALCARI FRIABILI ??? ] Per quello che riguarda gli ancoraggi, i calcari marnosi hanno miglior resistenza a taglio che ad estrazione. Per i calcari compatti e` l'opposto.

La seguente tabella riporta i dati (generici) seconto questa classificazione.