Características temperatura–presión del blasting por transición de fase del CO2 y el mecanismo de fallo de los tubos de fracturación

Rompiendo roca sin explosivos tradicionales

La minería y la excavación de túneles suelen depender de explosivos potentes que generan ruido, calor y riesgos para la seguridad. Este estudio explora un enfoque distinto: usar dióxido de carbono (CO2) comprimido que pasa súbitamente de líquido a gas para agrietar la roca. Controlando con precisión cómo se calienta, expande y escapa el CO2 desde un tubo de acero, los ingenieros pueden fracturar la roca evitando llamas abiertas y químicos explosivos. Comprender este proceso podría hacer los trabajos subterráneos más seguros, silenciosos y precisos.

Cómo se configura un “blast” de CO2

En el blasting por transición de fase del CO2, un tubo de acero resistente se coloca en un sondeo perforado en la roca o el carbón. Se bombea CO2 líquido al tubo y se enfría para que permanezca en un estado denso y presurizado. Un elemento calefactor integrado se activa más tarde mediante una señal eléctrica. Al calentarse, el CO2 líquido se transforma rápidamente en un estado parecido al gas muy comprimido y su volumen intenta expandirse cientos de veces. Esto hace que la presión dentro del tubo se dispare hasta que un punto débil diseñado finalmente cede, permitiendo que el CO2 salga a gran velocidad y presione contra la superficie rocosa cercana. Dado que la energía procede de un cambio de fase física en lugar de la combustión química, el método genera menos vibración y no produce llama ni humos tóxicos.

Qué ocurre dentro del tubo

Los autores siguen de cerca cómo varían la temperatura y la presión dentro del tubo durante tres etapas clave: llenado, calentamiento y liberación. Durante el llenado, el CO2 alterna entre gas y líquido mientras la presión sube de forma constante y la pared del tubo soporta la carga sin daño permanente. En el calentamiento, pellets químicos especiales actúan como un calefactor compacto, empujando el CO2 a un estado supercrítico en unos pocos milisegundos. La presión aumenta bruscamente, pero el tubo está fabricado con acero aleado de alta resistencia y con extremos más gruesos, por lo que se mantiene dentro de límites seguros. El estudio muestra que la tensión máxima en el tubo permanece muy por debajo de la resistencia a la rotura del metal, lo que significa que el cuerpo del tubo puede reutilizarse muchas veces siempre que su componente más débil se controle adecuadamente.

Puntos débiles diseñados que controlan la detonación

El verdadero “fusible” del sistema es la parte concebida para fallar: bien un disco de ruptura delgado en la base de un tubo reutilizable, bien una junta ranurada a lo largo del costado de un tubo desechable. Mediante simulaciones por ordenador, los investigadores muestran que el disco inferior falla principalmente por corte a lo largo de un anillo donde la zona cargada del centro se encuentra con el borde sujeto. La presión necesaria para romper este disco aumenta casi linealmente con la resistencia y el espesor del metal y disminuye con el tamaño del área cargada. Esta relación simple permite a los ingenieros seleccionar el material y la geometría del disco para ajustar una presión de apertura deseada y, por tanto, la energía del “blast”.

Tubos de un solo uso y el papel de las ranuras

Para tubos de liberación lateral de un solo uso, el punto débil se crea mecanizando una ranura larga en V a lo largo de la pared del tubo. A medida que la presión del CO2 aumenta, la tensión se concentra en la ranura hasta que el metal se rasga a lo largo de su longitud, ventilando el gas lateralmente hacia el sondeo. Debido a que la forma de esta ranura es más compleja, la presión de rotura no puede expresarse con una fórmula sencilla. En su lugar, el equipo emplea un método de diseño estadístico para explorar muchas combinaciones de profundidad, longitud y anchura de la ranura. Su análisis revela que la profundidad tiene el efecto más fuerte sobre cuándo se rompe el tubo, seguida por la longitud, mientras que la anchura influye menos. Ajustando estos parámetros, los diseñadores pueden afinar la facilidad con la que el tubo se abre y la cantidad de energía que se entrega a la roca.

Del chorro de gas a la roca agrietada

Una vez que el tubo se abre, el CO2 sale disparado en forma de chorro de alta velocidad. Recorre la estrecha brecha entre el tubo y la pared del sondeo, perdiendo fuerza gradualmente pero aun así golpeando la roca con un impacto agudo. Este impacto genera ondas de tensión que se irradian por la roca, iniciando pequeñas grietas alrededor del sondeo. El gas presurizado residual luego se filtra en esas grietas, abriéndolas y extendiéndolas. El estudio describe cómo la presión en la pared se amplifica cuando golpea el chorro y cómo luego decae hacia un campo de presión de acción más lenta, combinando un “golpe de martillo” rápido con un empuje sostenido para fracturar la roca de forma eficaz.

Por qué esto importa para romper roca con más seguridad

En conjunto, el trabajo muestra que el blasting por transición de fase del CO2 está impulsado por un recorrido del fluido cuidadosamente orquestado: de gas a líquido, a un estado supercrítico denso, y de nuevo a gas. La forma en que cambian la temperatura y la presión dentro del tubo, y cómo se diseña el fallo del tubo, controla cuánta energía llega a la roca y cómo crecen las fracturas. Al proporcionar fórmulas, simulaciones y reglas de diseño tanto para tubos reutilizables como desechables, el estudio ofrece una hoja de ruta para hacer este método no explosivo más predecible y eficiente. Para los trabajadores y las comunidades próximas a minas y túneles, eso podría significar operaciones más seguras con menos vibración, menos ruido y menor dependencia de explosivos convencionales.

Cita: Chen, Z., Yuan, Y., Li, B. et al. Temperature–pressure characteristics of CO₂ phase-transition blasting and the failure mechanism of fracturing tubes. Sci Rep 16, 9526 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-40279-y

Palabras clave: blasting con CO2, fracturación de roca, demolición no explosiva, chorros de gas, seguridad minera