ES2865116T3 - Procedimiento para la fabricación in situ de hidrogeles explosivos de baja densidad resistentes al agua - Google Patents
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Abstract
Un procedimiento para la fabricación "in situ" en continuo de un hidrogel explosivo de baja densidad resistente al agua, que comprende: a) transportar al lugar de fabricación: (i) un producto matriz no explosivo o de baja sensibilidad que comprende una solución o suspensión acuosa de al menos una sal oxidante, y al menos, un polímero soluble en agua y susceptible de ser entrecruzado; (ii) un agente generador burbujas de gas; y (iii) un agente entrecruzante capaz de reticular dicho polímero soluble en agua y susceptible de ser entrecruzado contenido en dicha matriz; b) mezclar dichos productos (i), (ii) y (iii) en al menos un dispositivo con capacidad de mezcla, para obtener una mezcla que es vehiculada mediante una bomba y/o un husillo; c) cargar la mezcla resultante de b) directamente en el barreno mediante una bomba o un husillo; y d) generar burbujas de gas mediante dicho agente generador de burbujas de gas y reticular dicho polímero mediante dicho agente entrecruzante en el seno de la mezcla ya introducida en el barreno, bajo condiciones en las que el proceso químico de reticulación es más lento que el proceso químico de generación de burbujas, y en donde la densidad final de la mezcla explosiva se regula con la concentración del agente generador de burbujas de gas y la consistencia física final del explosivo se regula con el agente entrecruzante.
Description
DESCRIPCIÓN
Procedimiento para la fabricación “in situ” de hidrogeles explosivos de baja densidad resistentes al agua
CAMPO DE LA INVENCIÓN
La presente invención se encuentra dentro de la categoría de los explosivos civiles para su uso en minería y obra civil. Más específicamente, se refiere a un método de fabricación “in situ” de mezclas explosivas de base acuosa a partir de una matriz no explosiva que contiene un polímero susceptible de ser reticulado, un agente generador de burbujas de gas, un agente de reticulación, y, opcionalmente, un oxidante o una mezcla de un oxidante y un material combustible en forma granular.
ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN
El uso de explosivos en obra civil y minería está tan generalizado que actualmente sería impensable el desarrollo de dichas actividades sin su uso. Dada la naturaleza de estos productos y las cantidades que se usan, los aspectos de seguridad tanto en su manipulación como en el transporte hasta el lugar de utilización son muy importantes y constituyen un área de actuación muy importante en la investigación y desarrollo de estas tecnologías.
El mercado ha evolucionado desde el uso de productos encartuchados, en general sensibles al detonador, a productos a granel mucho menos sensibles que deben iniciarse con un multiplicador. Para facilitar el transporte hasta el lugar de uso, se tiende a la fabricación o sensibilización “in situ”.
En lo relativo a la fabricación del explosivo “in situ”, esto es, la fabricación del explosivo en el mismo camión utilizado para la descarga del explosivo a los barrenos, las primeras patentes fueron presentadas por IRECO (US 3,303,738 y US 3,338,033). Estas patentes describen la fabricación en el camión de un explosivo del tipo hidrogel mediante la dosificación y mezcla de una solución líquida de sales oxidantes con un material sólido que contiene sales oxidantes y espesantes. En la patente US 3,610,088 (IRECO) se describe el mismo método de las patentes anteriores para la fabricación “in situ” de un hidrogel, incorporando la adición simultánea de aire bien mediante atrapamiento mecánico o mediante la generación de un gas por medio de una reacción química. La patente EP 0203230 (IRECO) describe un mezclador que presenta palas móviles y fijas que permite la fabricación “in situ” de un agente de voladura del tipo emulsión de agua en aceite.
La mayor desventaja de estas primeras tecnologías de fabricación “in situ” reside en el hecho de que utilizan soluciones de sales oxidantes a alta temperatura que se deben transportar en depósitos aislados térmicamente y con un aporte de calor. La complejidad del camión y de la operación de fabricación requiere de personal con una alta cualificación para asegurar el éxito de la misma.
Con la aparición de las emulsiones, la tendencia cambió hacia el transporte de emulsiones matriz clasificadas como noexplosivas y su sensibilización “in situ”, bien mediante la mezcla con microesferas huecas o mediante la generación de gas por medio de una reacción química. Con la misma filosofía MAXAM (anteriormente Unión Española de Explosivos) desarrolló una serie de tecnologías basadas en el transporte de una suspensión matriz no-explosiva y su sensibilización “in situ” mediante la incorporación de aire a la matriz antes de la descarga de ésta al barreno.
La patente europea EP1002777 B1 (MAXAM, anteriormente Unión Española de Explosivos) describe un procedimiento y una instalación para la sensibilización “in situ” de explosivos de base acuosa antes de la carga de los barrenos a partir de una suspensión matriz no-explosiva. La sensibilización se lleva a cabo mediante la mezcla de cantidades dosificadas del producto matriz con un gas o aire y un estabilizador de burbujas de gas. Igualmente, la patente europea EP1207145 B1 (MAXAM, anteriormente Unión Española de Explosivos) revela un procedimiento para la fabricación “in situ” de explosivos de base acuosa antes de la carga de los barrenos a partir de una suspensión matriz oxidante con un balance de oxígeno mayor del 14 %, un material combustible, un gas o aire y un estabilizante de burbujas de gas. La patente norteamericana US 6.949.153 B2 (MAXAM, anteriormente Unión Española de Explosivos) describe un procedimiento para la fabricación “in situ” de mezclas explosivas, susceptibles de ser bombeadas, mediante la mezcla de un oxidante granular con una suspensión matriz no-explosiva estabilizada con un espesante, aire y un estabilizador de burbujas de gas, que permite regular la densidad del producto final en función de las condiciones de proceso. Este método permite controlar la densidad del producto explosivo antes de la descarga a los barrenos mediante la incorporación controlada de aire atmosférico mediante medios mecánicos. US 3,523,048, US 5,490,887 y EP 1375 456 dan a conocer procesos adicionales para la sensibilización y el entrecruzamiento “in situ” de un producto matriz bombeable.
Otra alternativa es el transporte del producto matriz y su sensibilización en el lugar de uso mediante la mezcla de la matriz con nitratos granulados de baja densidad o con la mezcla del nitrato amónico con un hidrocarburo líquido (ANFO). Las patentes US 4,555,278 y EP 0194775 describen explosivos de este tipo formados a partir de emulsiones e hidrogeles respectivamente. En este tipo de explosivos, conocidos como “heavy ANFO”, la sensibilización se debe a la propia porosidad de los granos de nitrato amónico poroso y al aire ocluido entre los intersticios de los mismos. Este tipo de mezclas no son susceptibles de ser bombeadas, la carga de los barrenos se realiza mediante husillos y su resistencia al agua es muy limitada. El contenido de partículas de nitrato es generalmente mayor del 50%, dado que para contenidos
menores la densidad de la mezcla resultante es muy elevada al ocupar la matriz líquida los espacios entre los granos, presentando la mezcla una sensibilidad demasiado baja para su iniciación.
En el uso de explosivos en minería u obras civiles se da el caso de que, debido a las características de la roca y/o de la estructura geológica del terreno, el explosivo óptimo que se debe utilizar debe presentar baja densidad (0,4-0,8 g/cm3) y baja velocidad de detonación (2-4 km/s). El ANFO es el explosivo más frecuentemente utilizado, aunque se encuentre en el tramo alto de la densidad (0,8 g/cm3). Cuando se desea reducir su densidad, el ANFO se mezcla con un material granular de baja densidad que puede ser inorgánico, y, por tanto, inerte, u orgánico, y, en este caso, tiene también una función de combustible. El uso de ANFOs estándar o de baja densidad se limita únicamente al caso de barrenos secos, ya que estos explosivos no son resistentes al agua.
Cuando existen barrenos con agua, se suelen emplear bien heavy ANFOs (mezclas de matriz y ANFO con un elevado contenido en ANFO) o emulsiones dopadas (mezclas de matriz y ANFO con un bajo contenido en ANFO o nitrato granular). En el primer caso el explosivo resultante tiene una densidad mayor a la del ANFO ya que la emulsión se encuentra localizada en el espacio entre los granos del ANFO. También por este motivo la resistencia al agua es muy limitada y la permanencia prolongada del explosivo en el barreno puede dar lugar a que los gases originados en su posterior detonación presente un alto contenido en óxidos de nitrógeno (humos rojos).
En el caso de las emulsiones explosivas dopadas, debido al exceso de emulsión, la resistencia del explosivo al agua está asegurada. Sin embargo, esta solución tiene una seria desventaja. Si la sensibilización de la emulsión matriz se realiza mediante la generación química de burbujas de gas y, por tanto, la densidad final del explosivo está controlada por el volumen total de estas burbujas, la densidad media del explosivo en el barreno en general no es muy baja y será mayor cuanto mayor sea la altura del barreno. Debido a la presión hidrostática a lo largo de la columna de explosivo en el barreno, el gas de las burbujas situadas en el fondo del barreno se encuentra muy comprimido y la densidad del explosivo es relativamente alta en la parte baja del barreno. Para compensar este efecto se incrementa el volumen de gas generado mediante la gasificación química dando lugar a un explosivo con una muy baja densidad en la parte alta del barreno. Sin embargo, esta solución se encuentra muy limitada ya que una densidad excesivamente baja en la parte alta del barreno origina una reducción muy importante en la consistencia del explosivo final, dando lugar a un colapso de la columna de explosivo o facilitando la introducción del material de retacado en la columna del explosivo. Este fenómeno impide que mediante esta solución se puedan conseguir densidades medias en el barreno relativamente bajas. La solución que se utiliza para reducir la densidad en estos casos consiste en añadir a la emulsión partículas sólidas de muy baja densidad. Esta opción, a su vez, presenta otros inconvenientes, además de un aumento significativo en el coste de materias primas. Si estas partículas se añaden a la matriz en la fábrica, ésta deja de ser no-explosiva y, por tanto, se debe transportar un explosivo a granel. Si, al contrario, estas partículas huecas se añaden “in situ” en el camión, el camión a utilizar resulta más complejo y de menor capacidad, debido al considerable volumen del compartimento que contiene el agente sólido reductor de densidad y a la propia dosificación del mismo.
COMPENDIO DE LA INVENCIÓN
La presente invención elimina la totalidad o parte de los inconvenientes previamente mencionados y permite fabricar un explosivo resistente al agua de baja densidad de una forma más económica y segura. El objeto de la invención es un procedimiento de fabricación “in situ” de un explosivo resistente al agua, de una forma continua simultáneamente a la carga de los barrenos, donde se mezclan (a) una matriz no-explosiva en base acuosa que contiene un polímero susceptible de ser entrecruzado, (b) un agente entrecruzante del polímero contenido en la matriz, (c) un agente generador de gas, y, opcionalmente (d) un agente regulador de pH, opcionalmente (e) un agente estabilizador de burbujas de gas/aire, y también opcionalmente (f) un oxidante en forma granular y (g) una sustancia combustible. La presencia del polímero distribuido uniformemente en la matriz junto con el agente reticulante da lugar, en un intervalo de tiempo, después de la mezcla, relativamente pequeño, a una red tridimensional formada por cadenas moleculares de polímero unidas entre sí. Esta red polimérica tiene tres funciones primordiales: (a) fijar las burbujas de gas formadas, evitando su migración y, por tanto, manteniendo constante la baja densidad final, (b) proveer al explosivo final de una suficiente resistencia mecánica que impide que el producto colapse por el propio peso de la columna del explosivo y que el material de retacado se introduzca en la columna del explosivo, a pesar el importante volumen de gas/aire contenido en el explosivo, y (c) proveer una barrera física al agua exterior que hace que el explosivo tenga la suficiente resistencia al agua para que éste pueda mantenerse cargado en el barreno por periodos relativamente largos sin que se produzcan humos rojos en su posterior detonación. Las velocidades de los procesos químicos de generación de burbujas de gas y de reticulación de las cadenas poliméricas se controlan de modo que prácticamente todo el gas se genere antes de que el líquido viscoso, que es la mezcla que se carga en el barreno, se transforme en un sólido elástico como consecuencia de la formación de la red polimérica tridimensional. De este modo, se permite que el explosivo resultante se expanda adecuadamente en el barreno y se alcance la densidad escogida. El procedimiento se puede realizar en camiones de carga de explosivos en barrenos, que tengan compartimentos para los diferentes componentes de la mezcla y uno o varios dispositivos de mezcla que permitan la fabricación de la mezcla final que se descargaría en los barrenos bien mediante una bomba o un tornillo.
BREVE DESCRIPCION DE LAS FIGURAS
Las Figuras 1 y 2 muestran dos diagramas de dos realizaciones particulares de instalaciones para la fabricación “in situ”
de mezclas explosivas de acuerdo con la presente invención.
La Figura 3 es una gráfica que muestra la variación de la velocidad de detonación del explosivo a lo largo de la columna de explosivo obtenido en el Ejemplo 1.
La Figura 4 es una gráfica que muestra la variación de la velocidad de detonación del explosivo a lo largo de la columna de explosivo obtenido en el Ejemplo 2.
DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN
La invención proporciona un procedimiento para la fabricación “in situ” de un hidrogel explosivo de baja densidad resistente al agua, en adelante “procedimiento de la invención”, que comprende:
a) transportar al lugar de fabricación:
(i) un producto matriz no explosivo o de baja sensibilidad que comprende una solución o suspensión acuosa de, al menos, una sal oxidante, y al menos, un polímero soluble en agua y susceptible de ser entrecruzado;
(ii) un agente generador burbujas de gas; y
(iii) un agente entrecruzante capaz de reticular al menos un polímero soluble en agua y susceptible de ser entrecruzado contenido en dicha matriz;
b) mezclar dichos productos (i), (ii) y (iii) en al menos un dispositivo con capacidad de mezcla, para obtener una mezcla, susceptible de ser vehiculada mediante una bomba o un husillo,
c) cargar la mezcla resultante de b) directamente en un barreno mediante una bomba o un husillo; y d) generar burbujas de gas mediante dicho agente generador de burbujas de gas y reticular dicho polímero mediante dicho agente entrecruzante en el seno de la mezcla ya introducida en el barreno, bajo condiciones en las que el proceso químico de reticulación es más lento que el proceso químico de generación de burbujas, y en donde la densidad final del explosivo se regula con la concentración del agente generador de burbujas de gas y la consistencia física final del explosivo se regula con el agente entrecruzante.
En el sentido utilizado en esta descripción "fabricación in situ" se refiere a la producción del explosivo en el lugar en el que se va a usar, a partir de la mezcla de sus componentes generándose una mezcla antes de descargarla en los barrenos en donde se va a usar. Esto significa que los diferentes componentes que componen dicha mezcla se mezclan “in situ”, en una instalación que puede ser transportada, por ejemplo, en un camión, en lugar de una instalación fija, generalmente situada a una distancia significativa del lugar destinado para el uso del explosivo. El explosivo (producto final) se produce en el interior del barreno, en donde la mezcla adquiere la densidad y consistencia final una vez introducida en los barrenos.
El producto matriz no-explosivo o de baja sensibilidad, que en adelante será referido como producto matriz, es un producto en base acuosa que comprende agua, al menos una sal oxidante, y, al menos, un polímero soluble en agua susceptible de ser reticulado. Opcionalmente, dicho producto matriz puede también contener un material combustible y/o un sensibilizador. El producto matriz se transporta al lugar de la fabricación “in situ” en un contenedor adecuado tal como un tanque o depósito.
Como sales oxidantes se pueden emplear nitratos, cloratos y percloratos de amonio, de metales alcalinos o alcalinotérreos y sus mezclas. Ejemplos ilustrativos, no limitativos, de dichas sales incluyen, entre otras, los nitratos, cloratos y percloratos de amonio, sodio, potasio, litio, magnesio o calcio. La concentración total de sales oxidantes puede variar entre el 50% y el 90% en peso del producto matriz, preferiblemente entre el 60% y el 80%.
Como polímeros hidrosolubles susceptibles de ser entrecruzados se pueden utilizar productos de origen natural o sintético, por ejemplo, productos naturales derivados de semillas, derivados de la celulosa o polímeros sintéticos y mezclas de ellos. Más específicamente, estos polímeros pueden ser, entre otros, galactomanos, tales como la goma guar, etc., o carboximetil celulosa y sus derivados. Ejemplos adicionales de polímeros hidrosolubles pueden encontrarse en “Handbook of Water-Soluble Gums and Resins”, Robert L. Davidson, ed.; McGrawHill, Inc. (1980). El experto en la materia entenderá que, en caso necesario, dichos polímeros pueden ser modificados para introducir los grupos funcionales apropiados para su entrecruzamiento. La concentración total de polímero disuelto puede variar entre el 0,1% y el 5% en peso del producto matriz, preferiblemente entre el 0,4% y el 3%.
El producto matriz puede, si se desea, contener uno más materiales combustibles. Los materiales combustibles que, opcionalmente, están presentes en el producto matriz pueden ser bien líquidos o sólidos, por ejemplo, compuestos orgánicos pertenecientes al grupo formado por hidrocarburos aromáticos e hidrocarburos alifáticos saturados o insaturados, aceites, derivados del petróleo, o bien de origen vegetal como almidones, harinas, serrín, melazas y azúcares, o también combustibles metálicos finamente divididos como aluminio, silicio o ferrosilicio. El producto matriz puede contener, opcionalmente, mezclas de los materiales combustibles mencionados. En general, la concentración total de material combustible en el producto matriz, si contiene materiales combustibles, puede variar entre el 1% y el 20% en peso del producto matriz, preferiblemente entre el 3% y el 10%. Teniendo en cuenta que la mezcla obtenida mediante el procedimiento de la invención que se carga al barreno puede contener uno o más materiales combustibles,
si dicho material o materiales combustibles no estuviesen contenidos en el producto matriz, sería necesario añadirlos en la instalación mezcladora.
El producto matriz contiene, si se desea, uno o más sensibilizantes. Los sensibilizantes opcionales pueden ser aquellos comúnmente usados en la fabricación de este tipo de explosivos en base acuosa. En una realización particular, dichos sensibilizantes pueden ser nitratos de alquilamina, como por ejemplo, nitrato de metilamina, nitrato de dimetillamina, etc., o nitratos de alcanolamina, como por ejemplo, nitrato de etanolamina, nitrato de dietanolamina, nitrato de trietanolamina, etc., así como nitratos de otras aminas hidrosolubles como hexamina, dietilentriamina, etilendiamina y sus mezclas. La concentración total de sensibilizantes en el producto matriz, si los contiene, puede variar entre el 0,5% y el 40% en peso del producto matriz, preferiblemente entre el 2% y el 30%.
El producto matriz puede estar presente en la mezcla que se carga en el barreno con un porcentaje mínimo del 30%, preferiblemente mayor o igual al 40%, en peso, respecto al total de dicha mezcla. Aunque se hace referencia al porcentaje respecto a la mezcla que se carga en el barreno [resultante de la etapa b) del procedimiento de la invención], el experto en la materia entenderá que dicho porcentaje, en peso, se mantiene en el hidrogel explosivo de baja densidad resistente al agua producido en el interior del barreno tras la carga de dicha mezcla, Por tanto, los porcentajes en peso de los distintos componentes se indicarán, indistintamente, bien por referencia a la mezcla que se carga en el barreno o bien por referencia al hidrogel explosivo de baja densidad resistente al agua producido en el interior del barreno.
Como agente generador de burbujas de gas se pueden utilizar peróxidos, como por ejemplo, peróxido de hidrógeno, etc., carbonatos, como por ejemplo bicarbonato sódico, etc., ácido nitroso o sales del mismo, como por ejemplo, nitrito sódico, etc., nitroso-aminas, como por ejemplo N.N-dinitroso pentametilentetramina, etc., y diisocianatos. El agente generador de burbujas de gas puede estar presente en la mezcla que se carga en el barreno en una concentración comprendida entre el 0,01 % y el 3% en peso, preferiblemente entre el 0,05% y el 1% en peso respecto al total de dicha mezcla. El agente generador de burbujas de gas se transporta al lugar de la fabricación “in situ” en un contenedor adecuado tal como un depósito.
Como agente entrecruzante (o agente de reticulación) se pueden utilizar compuestos de antimonio como piroantimoniato potásico, tartrato de antimonio y potasio, etc., o compuestos de cromo tales como ácido crómico, dicromato sódico o potásico, etc., o compuestos de zirconio como sulfato de zirconio o diisopropilamina lactato de zirconio, etc., o compuestos de titanio como trietanolamina quelato de titanio, etc., o de compuestos de aluminio como el sulfato de aluminio, etc. El experto en la materia entenderá que se elegirá el agente entrecruzante adecuado para entrecruzar las cadenas poliméricas del polímero soluble en agua y susceptible de ser entrecruzado. El agente entrecruzante puede estar presente en la mezcla que se carga en el barreno en una concentración comprendida entre el 0,01% y el 5% en peso, preferiblemente entre el 0,01% y el 2% en peso respecto al total de dicha mezcla. El agente entrecruzante se transporta al lugar de la fabricación “in situ” en un contenedor adecuado tal como un depósito.
De acuerdo con el procedimiento de la invención, al lugar de fabricación también pueden transportarse, si se desea, (iv) un agente regulador de pH, y/o (v) un agente estabilizador de burbujas de gas/aire, y/o (vi) un oxidante inorgánico en forma granular o una mezcla de un oxidante, en forma granular, y un material combustible sólido o líquido, y/o (vii) un material combustible líquido, y mezclar dicho(s) producto(s) con dicho producto matriz no explosivo o de baja sensibilidad, el agente generador de burbujas de gas y el agente entrecruzante. Por tanto, en una realización particular, el procedimiento de la invención comprende transportar al lugar de fabricación un agente regulador de pH. Como agente regulador de pH se pueden utilizar ácidos inorgánicos como ácido nítrico, ácido clorhídrico, ácido sulfámico, etc., o ácidos orgánicos tales como ácido acético, ácido adípico, ácido fórmico, ácido cítrico, etc. El agente regulador de pH puede estar presente en la mezcla que se carga en el barreno en una concentración adecuada para proporcionar el pH deseado; aunque el pH de la mezcla que se carga en el barreno puede variar dentro un amplio intervalo, en una realización particular, el pH de dicha mezcla que se carga en el barreno está comprendido entre 2 y 5, preferiblemente entre 3 y 4. De acuerdo con esta realización particular, el agente regulador de pH se transporta al lugar de la fabricación “in situ” en un contenedor adecuado tal como un depósito.
En otra realización particular, el procedimiento de la invención comprende transportar al lugar de fabricación un agente estabilizador de burbujas de gas/aire. Como agente estabilizador de burbujas de gas/aire se pueden emplear disoluciones o dispersiones de tensoactivos, tales como derivados de aminas de ácidos grasos, como por ejemplo, acetato de lauril amina, etc., proteínas, como por ejemplo, albúmina de huevo, lactoalbúmina, colágeno, proteína de soja, proteína de guar, o goma guar modificada del tipo hidroxipropil guar, etc., o mezclas de dichos productos. La concentración de agente estabilizador de burbujas de gas/aire puede variar entre el 0,01% y el 5% en peso con respecto a la mezcla que se carga en el barreno, preferiblemente entre el 0,1% y el 2% en peso. De acuerdo con esta realización particular, el agente estabilizador de burbujas de gas/aire se transporta al lugar de la fabricación “in situ” en un contenedor adecuado tal como un depósito.
En otra realización particular, el procedimiento de la invención comprende transportar al lugar de fabricación del hidrogel explosivo de baja densidad resistente al agua un oxidante inorgánico en forma granular. De acuerdo con esta realización particular, la mezcla que se carga en el barreno contiene dicho oxidante inorgánico en forma granular. Como oxidantes inorgánicos en forma granular se pueden utilizar nitratos inorgánicos, preferiblemente nitrato amónico, etc. En algunos casos el oxidante inorgánico en forma granular puede ser un nitrato amónico poroso, un producto estándar en la
fabricación de explosivos.
En otra realización particular, el procedimiento de la invención comprende transportar al lugar de fabricación una mezcla de, al menos, un oxidante inorgánico, en forma granular, y, al menos, un material combustible líquido o sólido. De acuerdo con esta realización particular, la mezcla que se carga en el barreno contiene una mezcla de un oxidante inorgánico, en forma granular, y un material combustible (líquido o sólido). En esta realización particular, se puede usar un nitrato inorgánico como oxidante inorgánico en forma granular, por ejemplo, nitrato amónico en forma granular, etc. Como material combustible se puede usar bien un material combustible líquido tal como gasóleo, etc., o bien un material combustible sólido, tal como aluminio granular, goma (caucho), etc. En una realización particular, dicha mezcla de un oxidante inorgánico en forma granular y un material combustible (líquido o sólido), contiene un nitrato inorgánico en forma granular y un material combustible líquido, en particular, una mezcla de nitrato amónico y gasóleo. Una vez en el lugar de la fabricación “in situ” del hidrogel explosivo de baja densidad resistente al agua, dichos componentes [el oxidante inorgánico, en forma granular, y el material combustible líquido o sólido] pueden mezclarse entre sí antes de ponerlos en contacto con el producto matriz, el agente generador de burbujas de gas y el agente entrecruzante, o, alternativamente, pueden añadirse directamente por separado y ponerlos en contacto con dicho producto matriz, agente generador de burbujas de gas y agente entrecruzante.
En caso de que estén presentes, la concentración de oxidante inorgánico en forma granular, o de la mezcla de oxidante inorgánico, en forma granular, y material combustible, en la mezcla que se carga en el barreno es menor o igual al 70% en peso respecto a dicha mezcla, preferiblemente menor o igual al 60% en peso.
El oxidante inorgánico en forma granular así como el material combustible líquido o sólido, o la mezcla compuesta por el oxidante inorgánico, en forma granular, y el material combustible, líquido o sólido, se transportan al lugar de la fabricación “in situ” de la mezcla explosiva en unos contenedores adecuados tales como unos depósitos. Aunque podría transportarse la mezcla del oxidante inorgánico, en forma granular, y el material combustible líquido o sólido, en la práctica resulta ventajoso y preferible transportar los componentes de dicha mezcla, es decir, el oxidante inorgánico, en forma granular, y el material combustible líquido o sólido, de forma separada, en contenedores o depósitos apropiados para dichos componentes.
La mezcla que se carga en el barreno puede, opcionalmente, contener un material combustible líquido. Este material combustible líquido puede ser un hidrocarbono aromático, un hidrocarbono alifático, un aceite, un derivado del petróleo, un derivado de origen vegetal, etc., y mezclas de dichos productos. La concentración del material combustible líquido puede variar entre 0% (cuando no está presente en la mezcla que se carga en el barreno) o mayor que 0% y 20% (cuando está presente en dicha mezcla que se carga en el barreno) en peso, preferiblemente entre el 2% y el 10% en peso respecto a la mezcla que se carga en el barreno. Cuando conviene, el material combustible líquido, se transporta al lugar de la fabricación “in situ” de la mezcla explosiva final en un contenedor apropiado, preferiblemente un depósito.
En una realización particular, el procedimiento de la invención comprende mezclar (i) el producto matriz con (ii) el agente generador de burbujas de gas, (iii) el agente entrecruzante, y, además, con uno o más de los siguientes productos: (iv) un agente regulador de pH, (v) un agente estabilizador de burbujas de gas/aire, (vi) un oxidante inorgánico en forma granular o una mezcla de un oxidante inorgánico, en forma granular, y un material combustible, líquido o sólido, y (vii) un material combustible líquido. En una realización práctica de esta realización particular, la mezcla del producto matriz (i) y, en su caso, el agente estabilizador de burbujas de gas (v), el oxidante inorgánico en forma granular o la mezcla del oxidante inorgánico, en forma granular, y el material combustible lñiquido o sólido (vi) y el material combustible líquido (vii), se lleva a cabo en un mezclador apropiado, tal como un mezclador rotativo, preferiblemente un husillo o tornillo, donde pueden incorporarse burbujas de aire atmosférico mediante atrapamiento si se ha incorporado el agente estabilizador de burbujas de gas (v). La incorporación a la mezcla del agente generador de burbujas de gas (ii), el agente entrecruzante (iii) y, opcionalmente, el agente modificador de pH (iv), puede realizarse en dicho mezclador rotativo o en la bomba que se utiliza para cargar los barrenos con la mezcla obtenida. Después de mezclar los componentes citados, la mezcla obtenida presenta un balance de oxigeno entre -10% y 10% antes de su carga en los barrenos y puede ser vehiculada mediante un husillo o mediante una bomba. La mezcla que se carga en el barreno tiene un aspecto granular/pastoso, siendo descargada a los barrenos mediante un husillo, o bien un aspecto de un líquido viscoso, siendo descargada a los barrenos mediante una bomba. Tras la descarga de la mezcla en los barrenos, la mezcla evoluciona en el interior de los mismos hasta convertirse en el hidrogel explosivo de baja densidad resistente al agua y adquiriendo sus propiedades o características finales en el interior del barreno.
Como ya se ha indicado, la mezcla obtenida, en el momento de cargarse a los barrenos, tiene un aspecto de sólido granular/pastoso pegajoso o de líquido viscoso con una densidad comprendida entre 1,0 y 1,4 g/cm3. La reacción química que genera las burbujas de gas tiene lugar principalmente una vez que la mezcla se encuentra en el interior del barreno. Una vez finalizada la generación de burbujas de gas, la densidad, a presión atmosférica, del hidrogel explosivo está comprendida entre 0,2 y 1,2 g/cm3, preferiblemente entre 0,3 y 1,1 g/cm3, es decir, se trata de un hidrogel explosivo de baja densidad. La reacción que da lugar a la reticulación del polímero contenido en el producto matriz también se da, principalmente, una vez que la mezcla obtenida en b) se encuentra introducida en el interior del barreno. El mecanismo de esta reacción da lugar a un incremento progresivo en el número de enlaces químicos entre las diferentes cadenas poliméricas. Una vez alcanzado un valor determinado en el número de nodos de reticulación, prácticamente todas las cadenas poliméricas se encuentran unidas formando una red tridimensional que confiere al explosivo final las
características propias de un sólido flexible. La concentración del agente reticulante determina el número de nodos de esta red tridimensional. Cuanto mayor sea este número, mayor será el módulo de elasticidad del gel y por tanto la consistencia del explosivo sólido resultante. La importante resistencia mecánica de este gel es la razón de la resistencia al agua del explosivo y de la estabilidad mecánica de la columna de explosivo, a pesar de la baja densidad de éste. En general, como el experto en la materia entenderá, el volumen ocupado por la matriz no-explosiva o de baja sensibilidad y el gas/aire ocluido en su seno es mayor que el volumen ocupado por el oxidante inorgánico en forma granular opcionalmente incorporado.
Además de controlar la magnitud de las reacciones de gasificación y de reticulación, es muy importante, de acuerdo con la invención, regular las cinéticas de ambas reacciones de modo que la reacción de gasificación sea significativamente más rápida que la reacción de reticulación, ya que una vez que se forma la red polimérica tridimensional, las dimensiones del sólido que se forma quedan fijadas, impidiendo su expansión e impidiendo la reducción de la densidad al valor prefijado. Para acelerar la cinética de generación del gas, se pueden utilizar catalizadores de esta reacción. Así, en el caso de que se utilice nitrito sódico como agente generador de burbujas, pueden utilizarse catalizadores tales como tiourea o tiocianato sódico, entre otros. La evolución de las cinéticas de ambas reacciones (gasificación y reticulación) puede seguirse por métodos convencionales. Prácticamente cualquier ensayo que permita seguir la evolución de la cinética de la reacción de gasificación y la cinética de la reacción de reticulación puede ser utilizado. A modo ilustrativo, no limitativo, se pueden realizar ensayos en laboratorio con diferentes formulaciones, temperaturas y pHs, siguiendo la evolución de la densidad y consistencia del explosivo a lo largo del tiempo; de esta forma se escoge la formulación, temperatura y pH idóneos. Para comprobar que la mezcla que se está introduciendo en el barreno funciona correctamente, durante la carga se toman muestras en recipientes tarados y se sigue la evolución de la densidad y la consistencia, de este modo es posible conocer lo que está sucediendo dentro del barreno de manera que se pueda saber si la mezcla que se carga en el barreno está evolucionando adecuadamente y convirtiéndose en el explosivo con las características finales deseadas (hidrogel explosivo de baja densidad resistente al agua) y, si ese no fuera el caso, actuar para favorecer la reacción de gasificación en detrimento de la reacción de reticulación o viceversa.
El procedimiento de la invención puede llevarse a cabo en un camión de carga de explosivos, equipado con los medios necesarios, que tiene compartimentos para el transporte de los componentes citados (i) el producto matriz, (ii) el agente generador de burbujas de gas, y (iii) el agente entrecruzante, y, opcionalmente, los compartimentos necesarios para el transporte de uno o más de los siguientes componentes: (iv) el agente regulador de pH, (v) el agente estabilizador de burbujas de gas/aire, (vi) el oxidante inorgánico en forma granular o una mezcla de un oxidante inorgánico y un material combustible, en forma granular, y (vii) el material combustible líquido.
En dos realizaciones particulares y preferidas, las Figuras 1 y 2 ilustran esquemáticamente la puesta en práctica del procedimiento de fabricación “in situ” de un explosivo de base acuosa del tipo hidrogel proporcionado por esta invención cuando se lleva a cabo en dos tipos de camión de carga de barrenos que disponen de:
a) Tipo de camión 1
- Seis depósitos donde pueden almacenarse los diferentes componentes, específicamente, un depósito (1) para el producto matriz no-explosivo o de baja sensibilidad, un depósito (2) para el oxidante inorgánico en forma granular, un depósito (3) para el material combustible líquido, un depósito (4) para el agente generador de burbujas de gas, opcionalmente puede usarse simultáneamente para el agente estabilizador de burbujas de gas/aire, un depósito (5) para el agente entrecruzante, y un depósito (6) para el agente regulador de pH; - un husillo (8) para dosificar el oxidante inorgánico en forma granular;
- un husillo (9) para llevar el oxidante inorgánico en forma granular hasta el husillo (10);
- un husillo (10) que actúa como mezclador rotativo y que descarga la mezcla al barreno;
- una bomba (13) para dosificar el producto matriz;
- una bomba (14) para dosificar el material combustible líquido;
- una bomba (15) para dosificar el agente generador de burbujas de gas, y, opcionalmente, al mismo tiempo, el agente estabilizador de burbujas de gas/aire;
- una bomba (16) para dosificar el agente entrecruzante; y
- una bomba (17) para dosificar el agente regulador de pH.
b) Tipo de camión 2
- Siete depósitos donde pueden almacenarse los diferentes componentes, específicamente, un depósito (1) para el producto matriz no-explosivo o de baja sensibilidad , un depósito (2) para el oxidante inorgánico en forma granular, un depósito (3) para el material combustible líquido, un depósito (4) para el agente generador de burbujas de gas, opcionalmente puede usarse simultáneamente para el agente estabilizador de burbujas de gas/aire, un depósito (5) para el agente entrecruzante, un depósito (6) para el agente regulador de pH, y un deposito (7) para el líquido de lubricación de la manguera;
- un husillo (8) para dosificar el oxidante inorgánico en forma granular;
- un husillo (9) para llevar el oxidante inorgánico en forma granular hasta el husillo (10);
- un husillo (10) que actúa como mezclador rotativo y que descarga la mezcla que realiza sobre la tolva (11) de la bomba (12) con la que se bombea la mezcla final al fondo del barreno;
- una bomba (12), que además de bombear la mezcla final al fondo del barreno, mezcla el agente reticulante con el resto de la mezcla proveniente del husillo (10);
- una bomba (13) para dosificar el producto matriz;
- una bomba (14) para dosificar el material combustible líquido;
- una bomba (15) para dosificar el agente generador de burbujas de gas y opcionalmente, al mismo tiempo, el agente estabilizador de burbujas de gas/aire;
- una bomba (16) para dosificar el agente entrecruzante;
- una bomba (17) para dosificar el agente regulador de pH; y
- una bomba (18) para dosificar el líquido que forma el anillo lubricante a lo largo de la manguera, reduciéndose, de esta forma, la presión de bombeo de la mezcla final que se descarga al barreno.
Evidentemente un camión del tipo 2 (b) podría realizar el mismo procedimiento particular que un camión del tipo 1 (a). En ese caso la bomba (16) dosificaría el agente entrecruzante al husillo de mezcla (10) en lugar de a la aspiración de la bomba (12), y este tornillo (10) descargaría la mezcla final directamente al barreno en lugar de a la tolva (11). El líquido de lubricación de la manguera puede ser prácticamente cualquier líquido que forma un anillo lubricante a lo largo de la manguera y permite reducir la presión de bombeo de la mezcla final que se descarga al barreno, por ejemplo, agua, etc..
El procedimiento de fabricación “in situ” de un explosivo de base acuosa proporcionado por esta invención, además de producir un hidrogel explosivo de baja densidad resistente al agua, susceptible de ser vehiculado mediante husillos (tornillos) y/o bombas, tales como husillos o bombas de los habitualmente utilizados en la producción “in situ” de explosivos, tiene la ventaja de permitir variar la densidad y la resistencia mecánica del explosivo. Al mismo tiempo, permite variar las proporciones de la mezcla ajustando la energía de la misma a los requerimientos de cada aplicación. Otra ventaja del procedimiento de la invención tiene que ver con el bajo coste de la producción del hidrogel explosivo de baja densidad resistente al agua. El procedimiento de la invención puede operar en continuo o en discontinuo (por lotes).
La invención se ilustra mediante los siguientes dos ejemplos que en ningún caso son limitativos del alcance de la misma.
EJEMPLO 1
El producto explosivo (mezcla susceptible de ser vehiculada por un husillo) descrito en este ejemplo se fabrica en una instalación situada sobre un camión que consta de los siguientes elementos de acuerdo con la Figura 1:
- un depósito de 8.000 l (1) donde se almacena el producto matriz (suspensión matriz) no-explosivo o de baja sensibilidad;
- un depósito de 10.000 l (2) donde se almacena el oxidante inorgánico en forma granular;
- un depósito de 1.000 l (3) para el material combustible líquido;
- un depósito de 200 l (4) para el almacenamiento del agente generador de burbujas de gas y, opcionalmente, del agente estabilizador de burbujas gas/aire;
- un depósito de 200 l (5) donde se almacena el agente reticulante;
- un depósito de 100 l (6) donde se almacena el agente regulador de pH;
- un husillo (8) para dosificar el oxidante inorgánico en forma granular;
- un husillo (9) para llevar el oxidante inorgánico en forma granular hasta el husillo (10);
- cuatro bombas (13, 14, 15, 16) para dosificar y vehicular la suspensión matriz, el material combustible líquido, el agente generador de burbujas de gas y el agente reticulante, respectivamente, hasta el husillo mezclador (10); y - una bomba (17) que dosifica y envía el agente regulador de pH a la aspiración de la bomba (13) de la suspensión matriz. En esta bomba se mezclan la suspensión matriz y el agente regulador de pH.
El husillo (10), además de realizar la mezcla final, descarga ésta directamente en el barreno.
El depósito (1) se llenó con una suspensión matriz cuya composición se describe en la Tabla 1.
Tabla 1
Com osición de la sus ensión matriz
Esta suspensión está constituida por una solución acuosa saturada en nitrato amónico y nitrato de monometilamina, y por pequeñas partículas de nitrato amónico en suspensión, estando dicha suspensión estabilizada con goma guar. La densidad de este producto matriz era de 1,50 g/cm3.
Los depósitos (2), (3), (4), (5) y (6) se llenaron con nitrato amónico poroso, gasóleo, una solución de nitrito sódico del 30
%, una solución de piroantimoniato potásico del 1 % y una solución de ácido acético del 40 %, respectivamente.
Antes de comenzar la fabricación se calibraron el husillo dosificador del oxidante inorgánico (8) y las bombas dosificadoras de producto matriz (13), material combustible líquido (14), agente generador de burbujas de gas (15), agente de reticulación (16) y agente regulador de pH (17). En la Tabla 2 se muestran las condiciones de fabricación utilizadas.
Tabla 2
Condiciones de o eración
El producto explosivo a su salida del tornillo mezclador se dejaba caer al interior de los barrenos, que tenían un diámetro de 10” (254 mm) y una profundidad aproximada de 31 m. A la salida del husillo mezclador (10) se tomó una muestra de la mezcla final para conocer la evolución de la densidad y la consistencia del producto explosivo en función del tiempo. La muestra de explosivo recogida tenía una densidad de 0,59 g/cm3 a los 30 minutos, y de 0,51 g/cm3 a los 60 minutos. Se observó un aumento en la viscosidad de la muestra a los 40 minutos y la mezcla fluida inicial se había convertido un sólido explosivo del tipo hidrogel a los 120 minutos.
Finalmente se obtuvo una columna de explosivo de 25 m, cuya densidad media fue de 0,70 g/cm3. El producto explosivo final se detonó iniciado con un multiplicador de 450 g de pentolita. La variación de la velocidad de detonación del explosivo a lo largo de la columna de explosivo se puede observar en la Figura 3. La reducción de la velocidad de detonación a medida que el frente de detonación sube a lo largo de la columna de explosivo se debe a que la densidad del explosivo aumenta a medida que se desciende en el barreno debido a la presión hidrostática que comprime las burbujas de gas que contiene el explosivo. En el fondo del barreno, donde la densidad era más alta, se obtuvo una velocidad de 4,5 km/s, y en la parte alta del barreno se llegó a medir una velocidad de 2,6 km/s. Por tanto, con el procedimiento descrito en la invención se logra fabricar un explosivo de baja densidad, que presenta también una baja velocidad de detonación.
EJEMPLO 2
El producto explosivo (mezcla susceptible de ser vehiculada con una bomba) descrito en este ejemplo se fabrica en una instalación situada sobre un camión que consta de los siguientes elementos de acuerdo con la Figura 2:
- un depósito de 8.000 l (1) que contiene el producto matriz (suspensión matriz) no-explosivo o de baja sensibilidad; - un depósito de 10.000 l (2) donde se almacena el oxidante inorgánico en forma granular;
- un depósito de 1.000 l (3) para el material combustible líquido;
- un depósito de 200 l (4) para el almacenamiento del agente generador de burbujas de gas y, opcionalmente, del agente estabilizador de burbujas gas/aire;
- un depósito de 200 l (5) donde se almacena el agente reticulante;
- un depósito de 100 l (6) donde se almacena el agente regulador de pH;
- un husillo (8) para dosificar el oxidante inorgánico en forma granular;
- un husillo (9) para llevar el oxidante inorgánico en forma granular hasta el husillo (10);
- tres bombas (13, 14, 15) para dosificar y vehicular la suspensión matriz, el material combustible líquido y el agente generador de burbujas de gas, respectivamente, hasta el husillo mezclador (10);
- una bomba (17) que dosifica y envía el agente regulador de pH a la aspiración de la bomba (13) de la suspensión matriz. En esta bomba se mezclan la suspensión matriz y el agente regulador de pH;
- una bomba (16) que dosifica y envía el agente de reticulación a la aspiración de la bomba (12) de la mezcla final; y - una bomba (12), que aspira de una tolva (11) donde cae la mezcla que se produce en el husillo mezclador (10), para bombear la mezcla final al fondo de lo barrenos. En esta bomba se mezclan el producto que se forma en el husillo mezclador (10), y el agente de reticulación.
Los depósitos (1), (2), (3), (4), (5) y (6) se cargaron con los mismos productos que en el Ejemplo 1. Antes de comenzar la fabricación, se calibraron los diferentes dispositivos dosificadores de forma análoga al Ejemplo 1. En la Tabla 3 se muestran las condiciones de fabricación utilizadas.
Tabla 3
Condiciones de operación
La mezcla final se bombeaba al fondo de los barrenos, que tenían un diámetro de 5” 127 mm) y una profundidad aproximada de 13 m, con la bomba (12). Para facilitar el bombeo, se lubricaba la manguera de carga con agua proveniente del depósito (7). Una bomba (18) dosificaba y envía el agua a la impulsión de la bomba (12). A la salida de la manguera de carga se tomó una muestra de la mezcla final para conocer la evolución de la densidad y la consistencia del producto explosivo en función del tiempo. La muestra de explosivo recogida tenía una densidad de 0,51 g/cm3 a los 30 minutos, y una densidad de 0,39 g/cm3 a los 60 minutos. Se observó un aumento en la viscosidad de la muestra a los 35 minutos y la mezcla fluida inicial se había convertido un sólido explosivo del tipo hidrogel a los 120 minutos.
Finalmente se obtuvo una columna de explosivo de 9 m, cuya densidad media fue de 0,44 g/cm3. El producto explosivo final se detonó iniciado con un multiplicador de 450 g de pentolita. La variación de la velocidad de detonación del explosivo a lo largo de la columna de explosivo se puede observar en la Figura 4. En la mitad inferior del barreno, donde la densidad era más alta, se obtuvo una velocidad de 3,4 km/s, y en la parte superior de la columna del explosivo se llegó a medir una velocidad de 1,3 km/s. Esta velocidad de detonación tan baja se debe a que el explosivo presentaba en la parte superior del barreno una densidad excepcionalmente baja (0,39 g/cm3).
Claims (13)
1. Un procedimiento para la fabricación “in situ” en continuo de un hidrogel explosivo de baja densidad resistente al agua, que comprende:
a) transportar al lugar de fabricación:
(i) un producto matriz no explosivo o de baja sensibilidad que comprende una solución o suspensión acuosa de al menos una sal oxidante, y al menos, un polímero soluble en agua y susceptible de ser entrecruzado;
(ii) un agente generador burbujas de gas; y
(iii) un agente entrecruzante capaz de reticular dicho polímero soluble en agua y susceptible de ser entrecruzado contenido en dicha matriz;
b) mezclar dichos productos (i), (ii) y (iii) en al menos un dispositivo con capacidad de mezcla, para obtener una mezcla que es vehiculada mediante una bomba y/o un husillo;
c) cargar la mezcla resultante de b) directamente en el barreno mediante una bomba o un husillo; y d) generar burbujas de gas mediante dicho agente generador de burbujas de gas y reticular dicho polímero mediante dicho agente entrecruzante en el seno de la mezcla ya introducida en el barreno, bajo condiciones en las que el proceso químico de reticulación es más lento que el proceso químico de generación de burbujas, y en donde la densidad final de la mezcla explosiva se regula con la concentración del agente generador de burbujas de gas y la consistencia física final del explosivo se regula con el agente entrecruzante.
2. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 1, en el que dicho hidrogel explosivo tiene una densidad, a presión atmosférica, comprendida entre 0,2 y 1,2 g/cm3, preferiblemente entre 0,3 y 1,1 g/cm3
3. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 1 ó 2, en el que al menos uno de los polímeros contenidos en la matriz no-explosiva o de baja sensibilidad es una goma que contiene galactomano.
4. Procedimiento de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, en el que el agente entrecruzante es un compuesto inorgánico que contiene antimonio.
5. Procedimiento de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, en el que el agente generador de burbujas de gas es una sal del ácido nitroso.
6. Procedimiento según la reivindicación 1, que comprende, además, transportar al lugar de fabricación y mezclarlo con dicho producto matriz no explosivo o de baja sensibilidad (i),
dicho agente generador de gas (ii),
dicho agente de entrecruzamiento (iii), y
uno o más productos seleccionados del grupo formado por (iv) un agente regulador de pH, (v) un agente estabilizante de burbujas de gas/aire, (vi) un oxidante inorgánico en forma granular o una mezcla de un oxidante inorgánico en forma granular y un material combustible líquido o sólido, (vii) un material combustible líquido, y sus combinaciones.
7. Procedimiento de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, en el que dicha matriz no-explosiva o de baja sensibilidad está presente en la mezcla en una proporción igual o superior al 30% del peso total de la mezcla.
8. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 6, en el que el producto oxidante inorgánico en forma granular es un nitrato inorgánico.
9. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 6, en el que el combustible líquido se selecciona del grupo formado por hidrocarburos aromáticos, hidrocarburos alifáticos, aceites, derivados del petróleo, derivados de origen vegetal y sus mezclas.
10. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 6, en el que el agente estabilizante de las burbujas se selecciona del grupo formado por disoluciones o dispersiones de tensioactivos, proteínas y polímeros naturales y sus derivados.
11. Procedimiento de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 10, en el que el volumen ocupado por la matriz no-explosiva o de baja sensibilidad y el gas/aire ocluido en su seno es mayor que el volumen ocupado por el oxidante inorgánico opcional en forma granular.
12. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 1, en el que la mezcla de dichos productos (i), (ii) y (iii) se lleva a cabo en una instalación ensamblada sobre un camión.
13. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 6, en el que la mezcla de dichos productos (i), (ii), (iii) y
opcionalmente, (iv), (v), (vi) y/o (vii), se lleva a cabo en una instalación ensamblada sobre un camión.
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