110919276 Manual de Perforacion y Voladura Tema 1 Perforacion de Barrenos Para Voladuras

[MANUAL DE PERFORACIÓN Y VOLADURA DE ROCAS]

Ing. José L. Contreras 0 Prof. de la Catedra Perforación y Voladura de Rocas

PERFORACIÓN



CAPITIULO I

1. PRINCIPIOS GENERALES DE LA PERFORACIÓN

La primera operación de la explotación de una mina o cantera la constituye la perforación. Ésta precede a la

voladura, con la cual está asociada para fragmentar el material consolidado (generalmente roca) in situ. El propósito de la

perforación en las operaciones mineras, lo constituye la apertura de un hueco para la colocación de explosivos, cuando no

hay alternativa diferente a la voladura, para fragmentar la roca resistente a cualquier otra forma de excavación. Además, la

perforación en minería también es empleada en operaciones de drenaje, estabilidad de taludes, muestreo de suelo para

fundaciones, etc.

Por otro lado, la perforación para voladuras constituye la mejor fuente de información para los geólogos y

planificadores de mina, debido a que su cuadrícula es mucho más cerrada que los barrenos de prospección. Con los datos

obtenidos del estudio de los detritos de la perforación de estos huecos, se afinan la estrategia de producción y la

información geológica y fisicoquímica del yacimiento.

La energía que se suministra a la roca en las operaciones mineras o de construcción tiene su fin en fragmentarla

a un tamaño adecuado para su posterior transporte y/o tratamiento. La cantidad suministrada de esta energía va a

depender de las propiedades de la roca y del sistema de aplicación de esa energía, la cual es consumida por tres

mecanismos principales:

Creación de una nueva superficie

Fricciones internas. (plasticidad)

Dispersión de la energía de la onda elástica.

El método de aplicación determina el monto de la energía consumida en la fragmentación de una roca dada,

considerándose que es relativamente poca la energía que ésta consume en el proceso de fracturamiento cuando es

aplicada en forma de esfuerzos de tensión o cizalla, incrementándose de manera significativa, durante la acción de

esfuerzos de compresión. La forma cómo la energía es aplicada por la herramienta a la roca para causar su fragmentación,

la respuesta de la roca a dicha energía y los fenómenos que ocurren durante la interacción de la herramienta con la roca, es

importante conocerlos para determinar la eficiencia. La interacción entre la herramienta y la roca debe ser controlada, para

optimizar la relación entre la energía suministrada y la necesaria para la fragmentación de la roca.

Hasta ahora, estos parámetros han sido difíciles de determinar debido a la dificultad de conocer el consumo real

de energía y los requerimientos de la misma, por el desconocimiento de cómo las propiedades de la roca influyen realmente

en el fracturamiento y cual o cuales de ellas son las que están asociadas directamente con la fragmentación. Debido a esto,

se aplican altas cantidades de energía para el fracturamiento de la roca, para compensar, de alguna manera, cualquier falla,

sin embargo, se ha sido ineficiente.

1.1. MÉTODOS DE PENETRACIÓN EN LA ROCA

Para la clasificación de los métodos de penetración en la roca, se tomó como base el criterio de la manera como

es atacada la roca o modo de aplicación de la energía. De acuerdo a esto, podemos establecer la siguiente clasificación

por la forma de ataque: (Fig. 1.1).



Ataque mecánico: A pesar de la gran variedad de métodos de penetración de la roca que existe, el de ataque

mecánico constituye, hoy en día, el de mayor utilización, en sus dos tipos: Percusión y rotación, y el método híbrido de la

resultante de combinar los métodos de rotación y percusión: la rotopercusión.

Ataque térmico: Aunque otros principios sean conocidos y puedan ser empleados, el único método de

penetración térmica de aplicación práctica en la actualidad, es el de ataque con llama con perforador a chorro o acanalador

(channeler). Dada su capacidad de perforar distintos tipos de aberturas, los quemadores a chorro (Jet piercer) se utilizan no

solo para producir huecos para voladuras sino también cámaras y cortes en dimensionado de bloques.

Ataque por fluidos: Mientras que la rotura interna de la roca es atractiva, el resultado final es mas parecido a la

fragmentación que a la penetración. Perforar un hueco con un fluido suministrado por una fuente externa, por acción de

chorro o erosión, parece ser factible pero con aplicación muy limitada. Han sido utilizados monitores durante un siglo en

minería de libre aprovechamiento y más recientemente en minería de carbón y otros materiales consolidados de resistencia

relativamente baja.

Ataque sónico: Algunas veces llamada perforación vibratoria, este método está concebido actualmente como

una forma de percusión de alta frecuencia. Atractivo pero no comercial, en la actualidad, la actuación por medios

hidráulicos, eléctricos o neumáticos es posible.

Ataque químico: Las reacciones químicas pueden parecer atractivas, mas como accesorio que como método

primario de penetración. El uso de explosivos es una posibilidad distinta y varias alternativas para el sistema, están en

proceso de investigación.

Otros métodos de ataque: Aunque se ha intentado el empleo de otras formas de energía, los restantes métodos

pueden ser clasificados en la categoría de hipotéticos o en estado de investigación.

Fig. 1.1.- Clasificación de los métodos de perforación



1.2. TEORÍA DE LA PENETRACIÓN

Los métodos de perforación utilizados actualmente, en la minería, lo constituyen los sistemas mecánicos de

ataque, por lo que en este manual, se analizará la perforación de rocas, en función de estos sistemas.

1.2.1. COMPONENTES OPERATIVOS DE UN SISTEMA DE PERFORACIÓN DE ROCAS:

Los componentes principales de un sistema de perforación por ataque mecánico son:

Fuente (perforadora)

Transmisor (varillaje)

Aplicador (mecha)

Limpiador (fluido de circulación)

Fuente o Perforadora (equipo principal): Elemento motor que convierte la

energía desde su forma original (neumática, eléctrica, combustión interna, etc.) en

energía mecánica que hace funcionar el sistema.

Transmisor o sarta de perforación (varillaje, barreno, tubería, etc.): Transmite

la energía mecánica desde la perforadora hasta la broca o aplicador.

Aplicador o Broca (mecha, boca): Elemento que aplica la energía del sistema,

directamente sobre la roca para lograr su penetración.

Limpiador o Fluido de circulación: También llamado elemento de barrido es el

encargado de realizar la limpieza del hueco, controlar el polvo, enfriar la broca y en

ocasiones usarse como vehículo para aplicar estabilizadores de las paredes del

hueco. La perforación comprende dos operaciones en la que se basa todo el

sistema y que aunque son operaciones separadas en el proceso, estas deben

actuar en conjunto, intrínsecamente unidas, para poder lograr la penetración:

Fracturación de la roca

Desalojo del detritus generado.

1.2.2. MECÁNICA DE LA PENETRACIÓN

Existen dos formas básicas de atacar la roca mecánicamente: percusión y rotación y los cuatro métodos

comerciales de perforación que de ellos se derivan y que utilizan estos principios o combinaciones de ellos.

Perforación por percusión: En la perforación a percusión, el aplicador de la energía lo constituye la broca, que

golpea la roca con una frecuencia similar al de un martillo, el rebote de la herramienta al golpear la roca, es aprovechado

para darle movimiento de rotación a la misma. El torque aplicado, no es responsable de la penetración en la roca por ser

muy pequeño en magnitud y se produce sólo en el momento del rebote. La función de la fuerza de empuje aplicada es la

de mantener la herramienta en contacto permanente con la roca, de manera que la tensión requerida para la rotura de la

roca sea aplicada por el impacto del golpe en dirección axial y en forma discontinua. (Fig. 1.3):

• La roca es deformada elásticamente con fracturación de la superficie primitiva

Fig. 1.2.- Componentes de un sistema de perforación



• Formación de grietas de tracción primarias que se radian hacia fuera por efecto de la gran concentración de

esfuerzos en el punto de aplicación de la broca

• Propagación de grietas secundarias a lo largo de las trayectorias de cizalla y a partir de las grietas primarias,

formando largos fragmentos de roca

• Rotura de los fragmentos de roca durante el rebote y extracción de los mismos mediante la acción del fluido de

circulación, resultando la creación de un cráter

• Se forma una nueva superficie y la secuencia se repite.

Perforación por rotación (arranque): La acción de “afeitado” o raspado de la superficie de la roca, para crear

una superficie nueva en la perforación a rotación, es obtenido por una variedad de herramientas que incluyen cuchillas,

diamante, cables, cadenas y cortadoras rotativas.

La acción de corte de la roca por el diseño geométrico de la herramienta es efectuada por dos fuerzas: el empuje

(carga estática aplicada axialmente) y el torque o par de giro (el componente de la fuerza rotacional aplicada

tangencialmente). (Fig. 1.4)

• Al entrar en contacto la herramienta con la roca, aparecen las deformaciones elásticas.

• La roca es fracturada en la zona de grandes esfuerzos, adyacente a la herramienta (zona de contacto)

• Las grietas se propagan a lo largo de la trayectoria del corte formando esquirlas.

• La herramienta gira y se pone en contacto con una nueva superficie, desplazando los fragmentos de roca

obtenidos en el corte (detritus), los cuales son expulsados por el fluido de circulación

• Se forma una nueva superficie y la secuencia se repite.

Perforación rotativa por triconos: En la perforación con triconos, es utilizado el mismo principio de la

perforación por rotación, utilizando altos niveles de empuje y rotación (torque) en maquinas de gran tamaño y de gran peso.

La geometría de la broca tricónica presenta un híbrido de acción de corte combinando la acción de la perforación por

percusión con la perforación por rotación. Al accionar la herramienta, los dientes contenidos en cada cono, alternadamente,

hacen contacto con la roca, combinado el golpeteo de los dientes con el efecto de raspado dado por el movimiento de

rotación. El agrietamiento y fracturamiento de la roca ocurren de manera similar a los dos tipos de mecánica de penetración

de la roca.

Perforación por rotopercusión: Esta también es una forma híbrida de perforación, combina separadamente la

percusión con la rotación. La superposición de los sistemas de percusión y rotación implica la aplicación de grandes



fuerzas de impacto con el efecto de corte de la rotación. Los parámetros principales que definen la penetración por parte

del equipo son:

Energía de golpeteo

Velocidad de rotación

Par

Empuje

Los parámetros secundarios serán los relativos a la forma y diseño de los insertos, dientes o herramientas de

arranque o percusión, así como el volumen o presión del fluido de circulación. La optimización del proceso está determinada

por la producción del tamaño adecuado del detritus generado por la perforación y su rápida evacuación para reducir al

máximo la energía utilizada en remoler y reciclar los trozos ya rotos. La cantidad de energía necesaria es proporcional a la

cantidad de nueva superficie creada, al fracturar innecesariamente, aumentamos de manera significativa las nuevas

superficies y, por tanto, el consumo de energía aumenta considerablemente.

1.2.3. FACTORES QUE AFECTAN A LA PERFORACIÓN

En las operaciones de perforación existen varios factores que tienen implicaciones importantes en la ejecución de

las mismas. El análisis de estos factores ayudan a optimizar la utilización de equipos y herramientas, así como adecuar las

operaciones a las condiciones de trabajo acorde con el entorno. Estos factores se clasifican en:

Factores de perforabilidad

• Tipo de roca

• Propiedades técnicas de las rocas

• Perforabilidad de la roca

• Estabilidad de la roca

Factores geométricos

• Diámetro de la perforación

• Altura del banco

• Profundidad del hueco

• Inclinación de la perforación

• Alineación de la perforación

Factores operativos

• Perforadora

• Barras de transmisión

• Brocas

• Fluido de circulación

• Empuje

• Movimiento de rotación

Factores de servicio

• Montaje y tamaño de la máquina

• Energía disponible

• Supervisión

• Entrenamiento del personal

• Organización del trabajo

• Mantenimiento y conservación del equipo

Factores ambientales

• Condiciones del terreno

• Condiciones climatológicas

• Restricciones ambientales

Factores de perforabilidad

La habilidad para definir la facilidad o no de perforar una roca, es producto de la experiencia, obtenida mediante el

ensayo y error; sin embargo, existen varias características típicas de las rocas, que se pueden interpretar como indicadores

de la perforabilidad de ellas, siendo necesario seguir ciertas pruebas de laboratorio, para determinarlas según cada tipo de

roca.



Las propiedades de las rocas que deben ser consideradas para la planificación de la perforación y voladura,

dependen del comportamiento de las rocas durante el período de formación; esto, junto al método de perforación utilizado y

el propósito de la excavación determinan las características de rotura del material.

• Tipo de roca: Se clasifican, según su origen, en tres grupos:

Rocas ígneas

Rocas sedimentarias

Rocas metamórficas

Rocas Ígneas: Se forman a partir de material en estado de fusión (magma), tanto en las profundidades de la

corteza terrestre, como en la superficie, hacia donde emerge, debido a las erupciones volcánicas. La profundidad en la cual

se forman determina la velocidad de enfriamiento y el tamaño de grano, el enfriamiento lento, característico en la

profundidad, promueve la formación de cristales grandes y bien definidos, resultando una textura de grano grueso; en

cambio, cuando el magma se solidifica en la superficie, el proceso es muy rápido, no dando tiempo a la formación de

cristales, resultando una textura de grano fino.

Las rocas ígneas son generalmente duras, masivas y de relativa facilidad a ser perforadas por los métodos de

percusión, generalmente no están fisuradas, diaclasadas o descompuestas. Por su mismo proceso de formación, por la

diferenciación hidrotermal, hay poca probabilidad de encontrar elementos abrasivos en su composición.

Rocas sedimentarias: Formadas por la acumulación y sucesiva deposición, en capas, de material rocoso

fracturado y descompuesto. Estos materiales, producto de la erosión, son transportados por acción del agua y viento,

depositándose en capas sucesivas que se van acumulando y por efecto del peso, las capas inferiores pierden agua y se

compactan, las partículas minerales se cementan por los fluidos que circulan entre ellas. En general, son de fácil

perforación debido a la poca cohesión entre partículas, sin embargo pueden llegar a ser altamente abrasivas por el alto

contenido de sílice y óxidos de aluminio.

Rocas metamórficas: Se forman cuando las rocas existentes son sometidas a presiones intensas y altas

temperaturas, transformándose en otras, de distinta mineralogía y textura. En su mayoría, están clasificadas de duras a

muy duras. Usualmente se requieren equipos de perforación de percusión de medianos a pesados. Generalmente son

formadas por silicatos, con excepción de las calizas que tienen su origen en los carbonatos de calcio. El cuarzo, feldespato

y mica son constituyentes comunes en casi todas ellas. Su estructura mineralógica, establece la necesidad de determinar

el tipo de acero o insertos especiales en las herramientas de perforación que las proteja contra el efecto de la abrasividad.

∗ Propiedades técnicas de las rocas

Las propiedades técnicas de las rocas que tienen efecto importante sobre la perforación son:

Dureza

Abrasividad

Textura

Estructura

Características de rotura

Dureza: Se refiere a la medida del desgaste o resistencia a la deformación inelástica de la superficie de la roca o,

la resistencia de una superficie plana y lisa a la abrasión. La dureza es a menudo usada como una medida de las

propiedades técnicas del material rocoso. La dureza indica cuanto esfuerzo es necesario para causar rotura a la roca al



aplicar una herramienta en su superficie. La tabla 16.1, señala el grado de dureza en función de la clasificación de Moh’s y

de la fuerza compresiva uniaxial (clasificación de Protodyakonow).

Dureza Escala Moh’s MPa (MN/m2)

Extremadamente dura 7 - 200 -

Dura 6 – 7 120 – 200

Medianamente dura 4.5 – 6 60 – 120

Medianamente blanda 3 – 4.5 30 – 60

Blanda 2 – 3 10 – 30

Extremadamente blanda 1 – 2 - 10

Tabla 1.1.- Escala de valores de la dureza de las rocas

La prueba de Moh’s cataloga la posición de diversos minerales para indicar su dureza relativa. En esta escala, un

mineral rayará a aquellos de posición más baja.

Abrasividad: Es un parámetro, dependiente del tiempo, de la medida de desgaste de la broca durante la

perforación; ésta depende de la composición de la roca, a la cual el desgaste de la broca es proporcional. El contenido del

cuarzo se considera un indicador del desgaste de los aceros de perforación. (Tabla 1.2).

Tipo de roca Cont. de cuarzo (%) Tipo de roca Cont. de cuarzo (%)

Anfibolita 0 – 5 Gneis micáceo 0 – 30

Anortosita 0 Esquisto micáceo 15 – 35

Diabasa 0 – 5 Norita 0

Diorita 10 – 20 Pegmatita 15 – 30

Gabro 0 Filita 10 – 25

Gneiss 15 – 50 Cuarcita 60 - 100

Granito 20 – 35 Arenisca 25 – 90

Taconita 0 – 10 Pizarra 10 – 35

Caliza 0 – 5 Lutita 0 – 20

Mármol 0

Tabla 1.2.- Contenido de cuarzo de diferentes tipos de roca

Textura: Se refiere a la estructura del grano de la roca y se puede clasificar de acuerdo a propiedades tales como

porosidad, soltura, densidad y tamaño de grano. Éstos están relacionados con la velocidad de perforación.

Estructura: Las características estructurales tales como fallas, grietas, planos de estratificación, esquistocidad y

contactos de la roca, profundizan y direccionan todos los esfuerzos estructurales de la roca, afectando la dirección de la

perforación y la penetración de la broca.

Características de rotura: Las características de rotura describen el comportamiento de la roca cuando es

golpeada con un martillo; cada tipo de roca tiene una forma y grado típicos de rotura, relacionados con su textura,

composición mineral y estructura. Las características de rotura de diferentes tipos de roca, se describen a menudo en

términos de un coeficiente denominado Los Ángeles, que es una medida relativa para determinar la resistencia de la roca a

ser fracturada. La tabla 16.3 muestra las propiedades técnicas de diferentes tipos de roca según su origen.



Tipo de roca Densidad (t/m3) Tamaño de grano (mm)

F.E. Resistencia a la

compresión (Mpa)

Diorita 2,65 - 2,85 1,5 - 3 1,5 170 - 300

Gabro 2,85 - 3,2 2 1,6 260 - 350

Granito 2,7 0,1 - 2 1,6 200 - 350

Andesita 2,7 0,1 1,6 300 - 400

Basalto 2,8 0,1 1,5 250 - 400

Riolita 2,7 0,1 1,5 120

Ígneas

Traquita 2,7 0,1 1,5 330

Conglomerado 2,6 2 1,5 140

Arenisca 2,5 0,1 - 1 1,5 160 - 255

Lutita 2,7 1 1,35 70

Dolomita 2,7 1 - 2 1,6 150

Sedimentarias

Caliza 2,6 1 - 2 1,55 120

Gneiss 2,7 2 1,5 140 – 300

Mármol 2,7 0,1 - 2 1,6 100 – 200

Cuarcita 2,7 0,1 - 2 1,55 160 – 220

Esquistos 2,7 0,1 - 1 1,6 60 – 400

Serpentina 2,6 - 1,4 30 – 150

Metamórficas

Pizarra 2,7 0,1 1,5 150

Tabla 1.3.- Propiedades de las rocas según su origen

1 Mpa = 1 MN/m2 = 10 kg/cm2 = 142.2 psi. F.E. = Factor de esponjamiento

Una clasificación general de la roca según su dureza y abrasividad se muestra en la tabla 1.4 (a, b y c).

Duras y abrasivas Intermedias Menos abrasivas Descompuestas

Riolita Basalto olivinico Andesita Serpentina

Aplita Dacita Basalto Basalto rojo

Felsita Danita Traquita Caolin

Granodiorita Gabro olivinico Dolerita Granito

Pegmatita Cuarzodiorita Diorita

Cuarzo porfirico Gabro

Granito Sienita

1.4 a.- Rocas ígneas

Duras y abrasivas Intermedias Blandas

Granulita Hornblenda Pizarra

Cuarzo esquistico Esquisto micáceo Filita

Cuarcita Dolomita Esquisto cloritico

Gneiss Mármol

Gneiss micáceo

1.4 b.- Rocas sedimentarias



Duras y abrasivas Abrasivas poco duras Abrasivas friables Duras no abrasivas Blandas no abrasivas

Pedernal Formación aluvional Arenisca friable Caliza Carbón

Cornalina Ceniza volcánica Arenisca calcárea Limonita Aluviones

Cuarcita sedimentaria Caliza silícea Arena compactada Aluviones Pizarra

Cuarzo Piedra pómez Yeso

Conglomerado Arenisca

Aglomerado

1.4 c.- Rocas metamórficas

Tabla 1.4.- Dureza y abrasividad de diferentes tipos de roca

∗ Perforabilidad de la roca

La perforabilidad de la roca se define como la rata de penetración de una broca en la roca. Es una propiedad que

no se puede definir exactamente mediante una sola de las características mecánicas de la roca (por ejemplo esfuerzos de

compresión o de tensión). Esta es una función de varias características, tales como composición mineral, textura, tamaño

de grano, grado de desgaste por la acción atmosférica, etc. De acuerdo a esto, varios métodos empíricos se han

desarrollado para predecir el comportamiento de la perforación en diferentes rocas. Los índices típicos para la perforabilidad

de la roca incluyen:

∗ Índice de penetración (DRI)

∗ Prueba de Moh’s

∗ Índice de Protodyakonow

Índice de penetración (Drilling Rate Index – DRI): El índice de penetración no es una indicación directa de la

rata de perforación en el campo, sino una medida relativa. Puede también ser vista como parámetro de la resistencia

máxima de la roca a ser perforada. Experimentalmente, el DRI se determina en base a dos parámetros:

• La medida de friabilidad o valor S20

• El valor J de Siewers (valor SJ)

La medida de la friabilidad (S20): Se obtiene en la prueba de la fragilidad, que es una medida de resistencia de la

roca al fracturamiento debido a los repetidos impactos, en caída libre, de un mortero de acero sobre el material.

Se coloca una muestra de 0,5 kilogramos con una densidad conocida en la fracción de 11,2 a 16,0 milímetros. El

valor S20 es igual al porcentaje del material que pasa a través de una malla de 11,2 milímetros, después de realizada la

prueba con 20 golpes del mortero. El valor medio para un mínimo de tres o cuatro pruebas paralelas sería el valor S20 de la

muestra de roca.

El valor de SJ: Es obtenido por una prueba con taladros en miniatura sobre una muestra precortada de la roca. El

valor de SJ es una medida de la profundidad obtenida por un barreno de 1/10 milímetro de diámetro, después de 200

revoluciones con el mini taladro. El valor medio para 4 u 8 agujeros de los taladros se elige como el valor de SJ. La

orientación de la superficie precortada de la roca respecto a la orientación de las capas. Es esencial para la medida;

cuando se calcula el índice de penetración, el perforar de forma paralela a la orientación de las capas. El índice de

penetración obtenido también puede ser definido por la fórmula:



DRI = f (log Rc, ϕ, C)K

Donde:

Rc = Resistencia a la compresión simple ϕ = Angulo de rozamiento interno

K = Constante de corrección

Para el caso de rocas duras o muy duras, esta relación ha quedado establecida por:

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ −

+−=1000

45,365,42log71,179,6 CRDRI c

ϕ

La medida teórica obtenida del índice de penetración, es una medida referencial, para ser utilizada en los cálculos

de planificación de la perforación, cuando no se dispone de información histórica sobre operaciones previas en el área de

estudio. Esta medida, generalmente, se expresa en cm/min. (Fig. 1.5).

Prueba de Moh’s: Como ya se ha hecho referencia, la dureza se define como la resistencia a la deformación

inelástica o al rayado de una roca. La determinación de la dureza se efectúa por los dos métodos de penetración o rebote.

En el método de penetración, mediante una bola o cuña piramidal, se presiona en una superficie plana de la roca y la

presión medida que corresponde a la fuerza que se aplica sobre la superficie penetrada nos indica la dureza. Según la

técnica que se emplee se conocen las durezas Brinell, Vickers y Hardwell.

Se han encontrado que para unas condiciones dadas de la cuña o bola y para una roca de grano normal, la

presión es aproximadamente 10 veces la resistencia a la compresión. Para rocas porosas la relación desciende hasta 5 y

en el caso de rocas duras y grano fino puede llegar hasta 20.

Fig. 1.5.- Índice de penetración para varios tipos de roca



En el método de rebote, se deja caer un martillo estándar desde una altura dada sobre la superficie y se mide la

altura que toma el rebote. Esa lectura y el aparato llamad esclerómetro de Shore, ha sido comprobado en relación directa

(hasta el cuarzo) con la escala de Moh’s.

Protodyakonov ha señalado una relación entre el módulo de elasticidad E y la dureza Shore, h dada por:

hhE−

×=154

1007,1 6 kg/cm2

Esta relación es válida para durezas inferiores a 70 Shore, lo cual significa una gran limitación de las aplicaciones

de este índice para rocas muy duras pero muy práctico hasta dicho nivel.

Índice de Protodyakonow: El índice mas conocido y empleado en la mayoría de los países socialistas, es el de

Protodyakonov, desarrollado en 1926 y que ha demostrado ser representativo, sobre todo, para las perforaciones a

percusión. De acuerdo a este criterio, el índice representativo de la perforabilidad de la roca o f (índice de Protodyakonov)

está relacionado con la resistencia a la compresión simple y con el módulo de elasticidad por la siguiente ecuación:

Ef c

2887,1

2σ= , donde:

σc = Resistencia a la compresión simple de la roca en kg/cm2

E = Módulo de elasticidad en kg/cm2

Este índice varía de 20 a 0,3, correspondiendo los valores más altos para aquellas rocas más difíciles de perforar.

La fórmula de Protodyakonov ha sido modificada, relacionando el coeficiente f con la energía específica en

compresión uniaxial y la resistencia de la compresión σc y a la dureza Shore por la fórmula:

2/1

1541050 ⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛

−≈

hfh

cσ , de donde:

26 154109,0 σh

hf −×= −

• Estabilidad de la roca

La voladura cambia el balance de la roca cercana a ella, originando diaclasas, fisuras, grietas, áreas colapsadas,

etc., lo cual genera serios problemas en las operaciones de perforación, cuando esas áreas son escogidas para la ejecución

de la próxima voladura. Estos problemas van desde la dificultad para la apertura de un hueco, que puede traducirse en

derrumbe de las paredes, entrabamiento de la sarta de perforación, etc., hasta la seguridad del equipo de perforación, por la

inestabilidad que pueda existir en el banco, al ubicarse para ejecutar las operaciones.

En todo proceso de perforación es esencial que el barreno permanezca limpio hasta que el mismo haya sido

utilizado para la carga de explosivos. El detritus de perforación ejerce un efecto de sellado y estabilización de las paredes

del barreno, efecto que aumenta cuando se utiliza espumas aglomerantes en el aire de barrido. En algunos barrenos se da

la circunstancia que el terreno está muy fracturado o descompuesto, lo que hace necesario entubar el hueco a medida que

se realiza la perforación.



La superficie del banco adyacente a la voladura, después de efectuada ésta, muestra el estado de la roca. Si la

roca fue volada con un buen criterio, considerando la estabilidad el banco remanente, que garantice la seguridad de no ser

dañados por derrumbes los equipos de excavación y carga y buscando la conservación de la homogeneidad y solidez de la

roca para las operaciones de perforación posteriores, la ejecución óptima de las operaciones subsiguientes está

garantizada.

Factores geométricos

En las labores de perforación, revisten gran importancia ciertos factores que, en gran medida, están definidos por

los responsables de la operación, en función de los resultados esperados de la voladura, como son:

• Diámetro de la perforación

En la perforación de huecos de voladura, es deseable la selección de diámetros grandes, con el fin de minimizar

los costos de la operación al disminuir la cantidad de huecos por voladura o por volumen de roca volada.. La selección del

diámetro de perforación está influenciada por varios factores:

Tipo de explosivos a utilizar

Grado de fragmentación requerida

Necesidad de disminuir el efecto de la voladura en el contorno rocoso

Regulación de las vibraciones en el terreno

Regulación de la intensidad de las ondas de choque aéreas

Disponibilidad de equipos de perforación, carga y acarreo

Ciertas reglas empíricas son utilizadas como guía en la selección del diámetro de perforación, tales como la

relación entre este y la altura del banco (Fig. 5.6. Tema 5) y la relación entre éste y el tamaño de los equipos de excavación

empleados. (Fig. 1.6)

Para trabajos de cierta extensión, el diámetro de perforación puede venir dado por el tamaño del equipo a utilizar.

En perforaciones subterráneas, el espacio disponible es una limitante que puede reducir el tamaño de los equipos.

Fig. 1.6.- Relación entre el tamaño del equipo de excavación y el diámetro del hueco



La búsqueda del equilibrio en los costos de perforación y de la voladura, depende de la habilidad del planificador

de la operación, de establecer un balance entre la definición de las necesidades a satisfacer y los recursos a emplear. Por

ejemplo, en la búsqueda de una mejor fragmentación o la disminución de los efectos indeseables por vibraciones u ondas

de choque aéreas, implicaría la disminución de los diámetros de perforación, lo cual se traduce en un incremento de la

cantidad de huecos a perforar por unidad de roca volada y por consiguiente un incremento de los costos por el aumento de

los metros a perforar, reflejado por un mayor tiempo de utilización del equipo (desgaste + costos de personal) y el

incremento en el consumo de aceros de perforación y consumibles de la operación.

• Altura del banco

La altura de banco está relacionada directamente con la planificación global de las operaciones mineras, ésta está

en relación directa con los equipos de excavación seleccionados en función de los volúmenes de producción planeados. En

lo que a las labores de perforación concierne, la altura de banco, definen el diámetro de la perforación, el tamaño de los

equipos a utilizar y la escogencia del tipo y longitud de las barras, así como la necesidad o no de la utilización de accesorios

guía.. Generalmente se considera que bajos bancos implican el uso de pequeños huecos, mientras que diámetros grandes

deben ser utilizados en bancos altos.

En condiciones normales, la altura de los bancos de voladura de producción debe estar por debajo de los 15

metros para que las labores de perforación sean realizadas de manera óptima. Alturas mayores implican un aumento de las

dificultades operativas y en los errores de desviación y alineación. Para compensar esto, normalmente se establece la

perforación horizontal, para cubrir el espacio comprendido entre el fondo del hueco perforado desde arriba y el pie del

banco.

Fig. 1.7.- Ubicación de perforaciones horizontales en banco Fig. 1.8.- Esquema típico de voladura combinada con

perforaciones verticales y horizontales (zapateros)

Los huecos horizontales son perforados a una distancia o retiro igual a: V2 = 0,5 ... 1V, desde el nivel del fondo

del hueco principal, dónde V viene a ser el retiro calculado para la voladura perforada desde la superficie superior del

banco. (Fig. 1.7)

El espaciamiento entre huecos viene dada por la relación: E2 = 0,5E, donde E es el espaciamiento calculado en

la voladura vertical. La longitud (H2) de los huecos horizontales, depende de la profundidad de la voladura. La práctica

común establece que los huecos horizontales deben estar perforados a una distancia similar a la de la perforación de la

última hilera, de acuerdo a la siguiente relación: H2 = nV, donde n es igual al número de hileras a volar y V el retiro de la

voladura principal. (Fig. 1.8)

Debido a lo denso de la perforación en el pie del banco, el número de huecos horizontales puede llegar a alcanzar

a un tercio del total de metros perforados en la voladura.



• Profundidad del barreno (hueco)

La profundidad del hueco tiene gran influencia en la selección de los equipos de perforación, considerándose,

especialmente, si las operaciones de voladura implican un incremento progresivo de la profundidad de los mismos. La

utilización de equipos de gran potencia en combinación con barras de perforación altamente resistentes pueden requerirse

para obtener los resultados deseados.

En las labores de perforación en espacios reducidos sólo pueden utilizarse barras de perforación de pequeña

longitud, lo que significa que el equipo extensible ha de utilizarse incluso para trabajos poco profundos. Igualmente cuando

tenga que realizarse voladuras de barrenos horizontales o verticales y por la razón de que la profundidad del barreno es,

siempre, ligeramente superior al avance logrado o la altura del banco

• Inclinación de la perforación

La utilización de huecos inclinados viene a ser la respuesta a minimizar los efectos de rotura excesiva en la roca

adyacente a la voladura, presentando algunas ventajas sobre la perforación vertical:

Disminución de la cantidad de huecos por voladura

Mejora la geometría y facilita el posicionamiento del material volado

Mejora la estabilidad el banco

Disminuye los riesgos de rotura atrás y generación de repiés.

La perforación inclinada proporciona un mayor efecto de la onda de choque en la parte mas crítica del hueco,

donde se requiere los mayores esfuerzos de rotura debido al confinamiento y la dificultad de salida, como lo es el pie del

banco. Por otro lado, la perforación inclinada presenta las siguientes desventajas:

Incremento en los errores de alineación

Incremento en la posibilidad de desviación

.necesidad de una estrecha supervisión

aumento del desgaste por fricción de las herramientas de perforación

Es más difícil lograr exactitud en la perforación inclinada, especialmente en huecos perforados en bancos muy

altos, debido a que los errores se incrementan en la medida que se incrementa el ángulo de perforación, por lo que es

necesario una estrecha supervisión de las labores de perforación para lograr evitar los errores que puedan cometerse en la

alineación de los huecos.

Por otro lado, se debe considerar a la hora de seleccionar los aceros de perforación, que la perforación de huecos

inclinados incrementa el efecto del roce en las barras y los laterales de la broca con las paredes del hueco, siendo más

severo en las rocas con alto contenido de elementos abrasivos como los óxidos de aluminio y sílice.

• Alineación de la perforación

Otro de los factores importantes a controlar durante la perforación y que influye decisivamente sobre el resultado

de la voladura posterior, es sin duda, la calidad de la perforación, tanto en la ejecución del esquema previsto como en la

alineación de los barrenos y el mantenimiento de la dirección de los mismos en la medida que se profundizan los huecos.

La alineación de los barrenos está afectada por cuatro factores principales:

Propiedades estructurales de la roca



Método y equipo de perforación utilizado

Resistencia, rigidez y tipo de aceros de perforación utilizados

Errores en el emboquillamiento

Errores de dirección

Habilidad y destreza del operador

Los huecos de voladura deben ser perforados tan rectos como sea posible en la búsqueda de lograr la

distribución óptima del explosivo, de modo de proporcionar el efecto de voladura precalculado, evitando la necesidad de

efectuar voladuras secundarias y mantener los costos operativos lo mas bajo posibles. La desviación tiende a

incrementarse en la medida que se incrementa la profundidad del hueco, teniendo como consecuencia la demanda del

incremento en los metros perforados, en compensación a esta diferencia. En las perforaciones horizontales e inclinadas, el

peso de la sarta de perforación influye de manera significativa en la desviación de los barrenos.

La ejecución correcta del patrón previsto exige que esté debidamente marcado sobre el terreno la ubicación

exacta de cada perforación y la habilidad y práctica del operador en ubicar la perforadora en la posición correcta para que la

broca coincida con el lugar previamente señalado, para mantener una alineación correcta de todos los huecos que

conforman el patrón diseñado para la voladura.

No siempre las causas de desviaciones en la perforación son debidas, directamente, a los operadores, aunque en

general suelen ser las más importantes. Existen muchas otras causas de desviación, por ejemplo, las directamente

relacionadas con el desgaste del sistema de perforación, o de la propia perforadora en sí. El paso de formaciones de

distinto grado de dureza y su inclinación respecto al eje del barreno, suele ser otra causa importante de desviación. La

meticulosidad en el emboquillamiento del hueco, la precisión y alineamiento de los mismos, la optima adaptación del

diámetro de las barras de perforación con la broca y el uso, cuando la profundidad del hueco lo requiere, de dispositivos de

guía, son factores esenciales para reducir los errores de alineación y las desviaciones en la perforación.

Factores operativos

En este punto, haremos una revisión general de los

factores operativos que afectan el desarrollo de las labores de

perforación, considerando que un análisis exhaustivo de estos

factores se realizará por separado, de acuerdo a cada uno de los

métodos de perforación que desarrollaremos en los capítulos

subsiguientes, limitándonos solamente a los métodos aplicados

actualmente en las labores de perforación para voladuras, como lo

son:

Perforación por rotopercusión

- Perforación con martillo en cabeza

- Perforación con martillo de fondo

Perforación por rotación con triconos

Los factores que dependen del sistema de operación en

sí, reciben el nombre de variables de operación y son controlables

dentro de ciertos límites. Estos son los que se utilizan para realizar

las labores de perforación y del conocimiento de las características

de cada uno de ellos depende el éxito de las operaciones. Fig. 1.9)

Fig. 1.9.- Factores operativos del sistema de perforación



• Perforadora

La perforadora genera fuerzas que son

transmitidas a través de las barras de perforación hasta la

broca y de allí a la superficie de la roca. La fuerza aplicada

es obtenida por la acción percutiva de un martillo, la acción

de giro del varillaje o una combinación de ambos.

De acuerdo al tipo de aplicación de la fuerza, las

perforadoras pueden clasificarse en percutivas, de rotación

o rotopercusión. Estas perforadoras básicamente

transforman la energía suministrada por diferentes medios

(electricidad, neumática, hidráulica o de motores de

combustión) en fuerza de trabajo para lograr la penetración

de la roca con las herramientas diseñadas para tal fin. Una

descripción sobre las diferentes etapas del proceso será

discutida en los capítulos posteriores. (Ver Fig. 1.10)

Figura 1.10. Equipo de Perforación Hidráulica con Martillo en Cabeza (OTH)

• Barras de transmisión

Las barras de perforación se encargan de transmitir la fuerza de empuje que mantiene la broca en permanente

contacto con la roca y el movimiento de rotación de la sarta de perforación, y en el caso de la perforación con martillo en

cabeza, de la fuerza de golpeteo, suministrado por el pistón del martillo. Además de lo descrito, por intermedio de las barras

de perforación se suministra, dentro del hueco, el elemento de barrido o fluido de circulación que mantiene a la perforación

libre de detritus.

El conjunto de barras de perforación y los acoples entre ellas, en el caso de la utilización de varias barras por

efecto de la profundidad del hueco es conocido como varillaje. Al sumar la broca y los dispositivos para alineación, en caso

de ser utilizados, toma la denominación de sarta de perforación. Cada método de perforación tiene un diseño particular de

barras de transmisión, las cuales serán ampliamente descritas en los capítulos correspondientes.

• Brocas

La broca es la herramienta responsable del fracturamiento de la roca, debido a que en ella se concentran todos

los esfuerzos generados por la perforadora y son transmitidos directamente a la roca. Generalmente está constituida por

una estructura de acero, revestida en su cara exterior por insertos de carburo de tungsteno que la protege del roce y la

abrasión de la roca que atraviesa, en su parte interna posee conductos por el que circula el fluido de circulación que es

inyectado dentro del hueco para el barrido del detritus. Cada método de perforación posee un diseño particular de broca,

de manera de aprovechar al máximo las variables operativas de cada uno de ellos.

La permanente atención al uso de esta herramienta y su mantenimiento constante garantiza la eficacia de la

operación y, por otro lado, el mantenimiento del diámetro del hueco sin variaciones significativas que puedan causar

dificultades al momento de realizar la carga de la voladura. La reducción del diámetro de la broca por efecto del desgaste y



la no restitución del mismo por las labores de mantenimiento de la herramienta o su sustitución a tiempo, trae como

consecuencia una reducción del diámetro de perforación, generando desviaciones en la capacidad de carga de los huecos y

un aumento del roce del varillaje, disminuyendo su vida útil aceleradamente.

• Fluido de circulación

Para que la perforación resulte eficaz, es esencial que el fondo del barreno se mantenga constantemente limpio y

que el detritus de perforación sea evacuado de manera permanente, porque de lo contrario, gran parte de la energía

necesaria para avanzar en la perforación, se pierde en el remolido del mismo, traduciéndose en desgaste y pérdida de

rendimiento de la máquina.

La limpieza del hueco se consigue con un medio de barrido que llega hasta el fondo del barreno de manera

forzada, a través de un conducto central a lo largo de la barra y a través de toberas o “narices” de la broca. El detritus

(partículas de roca mezcladas con el fluido de circulación) se evacua del hueco ascendiendo por el espacio que formado

entre las paredes del barreno y la barra de perforación. Los fluidos de perforación o elementos de barrido utilizados

comúnmente en las labores de perforación son:

Barrido por agua: Se utiliza en perforaciones subterráneas, donde el polvo de la perforación se elimina al

mezclarse con el líquido. Normalmente es una mezcla de aire comprimido con agua inyectado en el hueco.

Barrido por aire: Se utiliza en perforaciones a cielo abierto donde, generalmente, el polvo no representa

inconveniente alguno para el normal desenvolvimiento de las operaciones y puede ser eliminado con el empleo

de captadores y por la misma naturaleza de la perforación (vertical) y la profundidad de los huecos, se requiere

que la partícula esté seca para facilitar su desalojo desde abajo hacia arriba.

Barrido con espuma: Se utiliza en perforaciones de superficie y como complemento del aire comprimido, ya que

este tipo de método facilita el desalojo de detritus muy pesado. La espuma provee, además, efectos de sellado en

las paredes del hueco.

Barrido con lodo: Se utiliza en la perforación de formaciones no consolidadas. El lodo es una mezcla de agua y

arcilla que se utiliza para estabilizar las paredes del barreno, así como para desalojar el detritus de perforación.

Es un método muy común en la perforación de huecos de gran profundidad.

Para que el barrido sea eficaz, el caudal de aire debe fluir a una velocidad adecuada, por consiguiente debe existir

un equilibrio entre dicho caudal y el espacio entre las paredes del hueco y la tubería de perforación. Una velocidad inferior

a la necesaria, permitirá que los fragmentos mayores queden depositados en el fondo del barreno, obligando a la broca a

una remolienda de los mismos con el consiguiente desgaste y pérdida de rendimiento. Si por el contrario, la velocidad es

excesiva, se pueden desprender materiales de las paredes del hueco, produciendo derrumbe de las paredes en las

formaciones blandas o medias, que dejarían una mala terminación del barreno. Así mismo, todo el sistema de varillaje,

sufrirá un efecto de desgaste pro abrasión, similar al efecto de chorro de arena o sand blasting.

• Empuje

Con este término se suele indicar la presión que el equipo de perforación, en la fase de trabajo está transmitiendo

sobre la broca y es el que permite penetrar la roca y avanzar en la perforación a medida que se fractura la roca y se

evacuan el detritus.

El empuje tiene dos componentes, el empuje activo ejercido por el denominado mecanismo de avance de la

propia perforadora, y que puede variarse dentro de márgenes y limitaciones de la propia máquina, y la carga estática

correspondiente al peso de las barras sobre la broca. El empuje varía de acuerdo con la naturaleza de la roca a perforar,



equipo a utilizar y varillaje. Es esencial que el equipo se encuentre enclavado firmemente, con el objeto que el avance de la

perforación esté asegurado y que la fuerza de empuje sea lo suficiente para lograr ese contacto permanente.

• Movimiento de rotación

El movimiento de rotación es la medida en revoluciones por minuto, que en fase de trabajo, transmite la

perforadora a la broca y constituye otro de los factores de gran importancia que influyen sobre los rendimientos de la

perforación.

En general puede decirse que la velocidad de penetración en la roca es proporcional a la rotación y el empuje.

Para un cierto empuje constante, al aumentar la velocidad de rotación, se obtiene una penetración más rápida, siempre que

el tamaño de las partículas arrancadas en cada revolución de la herramienta pueda mantenerse dentro de la misma

dimensión. Este factor debe estudiarse para cada caso concreto, de acuerdo al tipo de roca, barras y brocas utilizadas y

características del equipo.

Factores ambientales

Estos factores afectan de manera indirecta a las labores de perforación, orientándose hacia el establecimiento de

criterios que inciden directamente en las decisiones sobre el diseño de los equipos y la salvaguarda de la calidad del

ambiente de trabajo del personal que labora directamente con los equipos.

• Condiciones del terreno

Este factor condiciona la selección del tipo de equipo a utilizar, debido a que de acuerdo a la naturaleza del

trabajo de perforación, se requiere de equipos diseñados para realizar eficientemente el trabajo. En las labores de

desarrollo de minas, generalmente se trabaja en terrenos que han sido poco tratados o conformados; normalmente se

trabaja en laderas de montañas, terrenos irregulares, abruptos, etc., que requiere de equipos con un diseño particular.

Labores de desarrollo y preparación: Entendiendo las labores de desarrollo, como aquellos trabajos de

preparación de las áreas de explotación minera, retiro del estéril que cubre el material a explotar, mejoramiento de taludes,

nivelación de pisos etc., generalmente las voladuras que se planean tienen características totalmente distintas a las que se

emplean para labores de producción, como por ejemplo:

Indisponibilidad de caras libres para la salida de los disparos

Irregularidad en la profundidad de los huecos

Alta posibilidad de proyecciones de roca

Dificultad para la nivelación y fijación de los equipos

Áreas con terrenos escarpados o muy desnivelados

Estas características particulares originan la necesidad de utilizar equipos que cumplan con el propósito de un

trabajo eficiente y rápido. Para esto se requiere la utilización de equipos livianos, independientes, de pequeño tamaño (en

consonancia con el hecho que para este tipo de voladuras es recomendable la utilización de pequeños diámetros de

perforación), de gran movilidad (de orugas, suspensión independiente), de gran potencia en los mecanismos de tracción y

de gran estabilidad, (bajo centro de gravedad). Generalmente los equipos que cumplen con este propósito son los de

perforación a rotopercusión neumáticos o hidráulicos.



Voladuras de producción: En este caso, las exigencias son distintas debido a que para las labores de voladuras

de producción, raramente existen condiciones como as descritas anteriormente. En general, las áreas preparadas para

voladuras de producción tienen características tales como:

Pisos nivelados o de poca pendiente

Acceso por rampas o vías a las diferentes áreas a perforar

Superficie conformada, con pocas irregularidades

Áreas tan extensas como los volúmenes de producción lo exigen

Diámetros de perforación grandes

Estas circunstancias implican que los equipos que se utilizan en las labores de producción son, por lo general, de

gran tamaño y peso, baja maniobrabilidad, montados sobre cauchos u orugas planas, con elementos niveladores de la

estructura, etc. En las labores de perforación de minas o canteras donde los volúmenes de producción no son muy altos y

no se justifica la utilización de equipos distintos en las diferentes etapas de las operaciones mineras, en general, los mismos

que se emplean en las labores de desarrollo y construcción de rampas o vías, son los utilizados en las voladuras de

producción.

• Condiciones climatológicas

Otro factor a considerar son los efectos del clima sobre las labores de perforación, entre los cuales se destacan:

Pluviosidad de la zona

Temperatura promedio anual

Humedad

Velocidad y dirección del viento

Presencia de tormentas eléctricas

Condiciones atmosféricas de nubosidad o cielos despejados, etc.

Estas condiciones afectan directamente a los operadores de los equipos, lo cual establece la necesidad de

acondicionar a los mismos para mantener un clima de trabajo razonablemente bueno para mantener una alta productividad

en las labores.

Como ejemplo podemos citar el hecho de condicionar cabinas con ambiente artificial (calefacción o aire

acondicionado) de acuerdo al lugar donde se opera (presencia de mucho calor o muy bajas temperaturas), colocación de

techos para resguardo del operador en temporadas de lluvia o días intensamente soleados, cabinas presurizadas con

aislamiento cuando se requiera aislar del efecto del ruido o el polvo al operador, etc.

La presencia de tormentas eléctricas representa un factor de riesgo debido a que la torre de los equipos de

perforación puede actuar como pararrayos en algunas circunstancias, por lo que se requiere, cuando se labora en áreas de

alto riesgo de este tipo, la instalación de pequeñas estructuras en lugares cercanos al sitio de las labores, de mayor altura

que las torres de los equipos, de manera que sirvan de pararrayos y evitar la posibilidad de descargas eléctricas sobre los

equipos en operación.

• Restricciones ambientales

Las restricciones ambientales están referidas, básicamente, a las regulaciones, normas o directivas emanadas de

los distintos entes gubernamentales (Alcaldías, ministerios, Gobernaciones, Guardia Nacional, etc.), aplicadas a las labores

mineras en la región donde se realizan.



En general, las restricciones que puedan existir en lo que respecta a las operaciones de perforación y voladuras,

están relacionadas con los efectos que estas operaciones puedan ocasionar en las comunidades cercanas. Por lo que se

orientan hacia las emisiones de ruido, polvo o vibraciones que puedan afectar al libre desenvolvimiento de las actividades

de estos centros poblados o el resguardo de la integridad física de las instalaciones cercanas.

Las restricciones legales pueden constituir un elemento importante a considerar en el momento de la selección de

equipos, así como la adquisición de accesorios para minimizar los efectos al ambiente de las operaciones de perforación,

tales como captadores de polvo, supresores de ruido, utilización de equipos “silenciosos” (martillos en cabeza hidráulicos,

martillo de fondo, etc.).

Factores de servicio

• Montaje y tamaño de la máquina

Este factor depende directamente del diámetro de perforación a utilizar en las operaciones y el tipo de minería

(subterránea o de superficie). En la minería de superficie el tamaño de la máquina no representa ningún problema, debido

a que no existe ningún tipo de limitación, más aún, en la medida que se incrementan los volúmenes de producción y se

busca la reducción de costos en estas operaciones, la tendencia es ir hacia equipos de gran tamaño.

En el caso de minería subterránea, el tamaño de los equipos de perforación está directamente relacionado con las

dimensiones del área de operaciones, dejando la holgura necesaria para el movimiento del personal que labora en estas

actividades.

• Energía disponible

La selección del equipo a utilizar en las labores de perforación, debe estar en función del tipo de energía

disponible y el análisis de costo que implica la comparación de los mismos.

Se puede citar, como ejemplo, el caso en que las labores de minería tengan un suministro de energía eléctrica en

las áreas de operaciones, se tiene la opción de utilizar equipos que funcionen con el uso de este recurso, lo que sería

imposible en áreas alejadas y sin esta facilidad.

• Supervisión

Las labores de perforación necesitan de una estrecha supervisión, debido a que el conocimiento de todos los

pormenores presentados durante la perforación de los huecos será de vital importancia para el diseño de las carga de

explosivos, con el fin de garantizar el éxito de las voladuras, además de tener un criterio bien fundamentado a la hora de

tomar las decisiones pertinentes en caso de presentarse situaciones anómalas durante la labor.

Por otro lado, el supervisor debe garantizar que la perforación se realice de acuerdo al diseño planeado, cuidando

que los huecos se perforen en los sitios marcados, manteniendo una correcta alineación y que se mantenga la

direccionalidad de la perforación. Es, por lo tanto, estrictamente necesario que el supervisor esté debidamente entrenado y

tenga un amplio conocimiento sobre el trabajo que realiza y las implicaciones del mismo en las operaciones de voladuras.

Es por esto que, generalmente, el supervisor encargado de las operaciones de perforación es el mismo que supervisa las

labores de voladura.



• Entrenamiento del personal

Este es un factor clave para la eficacia del trabajo de perforación. El personal directamente involucrado en las

operaciones debe conocer perfectamente todo lo inherente a la labor que realiza y, más aun, las implicaciones que la

ejecución de su trabajo tiene en las operaciones posteriores a la perforación.

Es imprescindible que tenga un amplio conocimiento sobre la operación de la perforación, características y

capacidades de los equipos que opera, características de las diferentes herramientas en función del tipo de roca que

perfora, conocimientos suficientes sobre mantenimiento y funcionamiento de los equipos, fallas frecuentes, acciones a

tomar cuando se presentan desviaciones del comportamiento normal del trabajo, etc..

El entrenamiento de este personal es una responsabilidad directa del supervisor, el cual debe mantener un

seguimiento y control de las labores que se realizan, de manera de impartir los conocimientos necesarios a su personal y

efectuar, sobre la marcha, el reentrenamiento o enseñanza necesaria para el óptimo desarrollo de las actividades.

Debe ser política de la empresa darle una atención continua a la preparación del personal y su profesionalización

en las actividades que realizan, porque es la única manera de garantizar el desarrollo de las actividades de manera segura

y confiable.

No hay que olvidar que el verdadero motor de un desarrollo eficaz de las operaciones es el personal. Las

máquinas, aún de la mejor calidad, automatismo y confiabilidad son operadas por hombres, que, en la medida de estar

identificados con su trabajo y poseer los mejores conocimientos para una labor eficaz, garantiza el éxito de cualquier

negocio.

• Organización del Trabajo

La búsqueda de la optimización en las operaciones es una constante en las labores de loa supervisión, por lo que

es necesario mantener un control efectivo sobre las diferentes actividades que se realizan. Este control efectivo es posible

en la medida que haya una correcta planificación del trabajo y el establecimiento de una secuencia lógica de las diferentes

actividades a realizar, de manera de minimizar las pérdidas de tiempo y darle un uso adecuado a los recursos.

La organización del trabajo requiere de una visualización de las diferentes actividades a realizar, la contabilización

de los recursos que se poseen y el análisis de los necesarios, de manera de garantizar la existencia de los mismos en el

momento que se requieran; la distribución del personal y equipos en función de las prioridades, alternativas en caso de

desviaciones al desarrollo de las actividades planeadas, etc.

Una eficaz planificación de las operaciones y organización de las labores garantiza la ejecución óptima de las

mismas, el mejor uso de los recursos y un mejor control de los costos.

• Mantenimiento y conservación del equipo

El óptimo desenvolvimiento de las operaciones depende, en gran parte, de la confianza en la operatividad de los

equipos. Es importante que exista una buena organización de mantenimiento especializada en este tipo de equipos en la

empresa, o en caso contrario, la disponibilidad de un taller externo que preste un servicio de alto nivel de calidad.

La confianza en la operatividad de los equipos se genera en función del porcentaje de disponibilidad de las

máquinas, que está en relación directa con un buen programa de servicio y mantenimiento preventivo quipos, del cual el

supervisor debe participar y cumplir estrictamente con las fechas del ingreso de los mismos al taller.



El estricto cumplimiento de programas de mantenimiento preventivo minimiza las pérdidas de tiempo por concepto

de accidentabilidad del equipo en el campo, con todas las consecuencias que este tipo de interrupciones acarrea durante

las operaciones, trayendo como beneficio, un mejor control de los costos y un mayor margen de operatividad

Como puede observarse, son múltiples los factores que inciden directamente sobre las laborees de perforación, y

que el conocimiento de las diferentes variables involucradas garantiza el éxito de estas operaciones, por lo que es

sumamente importante que el personal involucrado directamente, tenga un conocimiento claro sobre el trabajo que realizan

y las implicaciones del mismo en el resto de las labores mineras.

1.2.4. CALCULO DE COSTES DE PERFORACION

El coste de perforación en operaciones de canteras o minería de mediano avance, se suele expresar en Bolívares

por Metro Lineal Perforado (Bs/MtL), en operaciones mineras de carbón, hierro y otros minerales donde el volumen de

producción esta por encima de 6 millones de Toneladas de Producción, este se suele expresar en Bolívares por Tonelada

de Mineral Volado (Bs/Ton Vol). Para efectos de cálculos, se empleara la siguiente formula:

CT = CA + CI + CM + CO + CE + CL + CB

VPm

Donde:

Costes Indirectos

CA = Amortización (US$/Hr)

CI = Intereses y Seguros (US$/Hr)

Costes Directos

CM = Mantenimiento y Reparaciones (US$/Hr)

CO = Mano de Obra (US$/Hr)

CE = Combustibles y/o Energía (US$/Hr)

CL = Aceites, grasas y filtros (US$/Hr)

CB = Brocas, varillas, manguitos, adaptadores, (US$/Mt)

VPm = Velocidad Media de Perforación (Mt/Hr)

Para el cálculo de cada uno de estos Costes, se pueden utilizar las siguientes expresiones:

Amortización (CA): La Amortización depende en esencia de dos factores, de la perdida de valor y el deterioro

producido por el uso y de la perdida debida al paso del tiempo o su obsolescencia en el mercado., los costos de

amortización lineal si es así considerado, se obtienen de la siguiente formula:

CA = Precio de Adquisición – Valor Residual

Horas de Vida

La vida útil para una perforado con martillo en cabeza se estima entre 8.000 a 12.000Hr, mientras que para los

que llevan martillo en fondo es de 10.000 a 15.000 Hr, hay que considerar que la vida de los martillos es

aproximadamente la mitad de lo estimado para la perforadora, por lo que conviene colocar en la cantidad a amortizar

otro martillo.

Intereses y Seguros (CI): Para calcular estas se utiliza la siguiente formula:

CI = [(N+1)÷2N] x Precio de adquisición x %(Intereses + Seguro + Impuestos) Horas de Trabajo al Año

Donde: N = Numero de años de vida



Mantenimiento y Reparaciones (CM): En este se incluyen los gastos de mantenimiento preventivo y otras

averías del equipo, se calculan mediante la expresión:

CM = Precio del Equipo x FR (%)

1.000 Donde: FR = Factor de Reparación

FACTOR DE REPARACIÓN EQUIPOS NEUMATICOS

REPUESTOS REPUESTOS + M.O.

CARRO SIN PERFORADORA

▪ Para Martillo en Cabeza

▪ Para Martillo en Fondo

PERFORADORA

▪ Martillo en Cabeza

▪ Martillo en Fondo

MARTILLO MANUAL

COMPRESOR PORTATIL

4 – 6 %

3 – 5 %

6 – 10 %

6 – 12 %

6 – 10 %

2 – 3 %

8 – 12 %

6 – 10 %

12 – 20 %

16 – 24 %

12 – 20 %

4 – 6 %

Tabla 1.5. Porcentajes de FR en Perforadoras

Mano de Obra (CO): Este valor corresponde a los salarios, primas, seguros y otras deducciones que la empresa

da al personal que opera la perforadora y ayudantes de perforación cuando se haga necesario. Se estima

considerando los costes que se generan en cuanto a salario del trabajador, beneficios (caja de ahorros, utilidades,

dividendos, bonos, etc), seguridad social (IVSS, Sindicato, Ley de Política de Ahorro Habitacional, etc). Se

considera el costo por hora de trabajo para los cálculos.

Combustibles y/o Energía (CE): Cada equipo posee una especificación de consumos de combustible por hora

trabajada dependiendo del tipo de motor, a gasolina o diesel, tanto de la unidad de avance, motriz como del

compresor. Para los motores de la maquina, se calculan mediante la expresión:

CE = 0,30 POTENCIA (KW) x FC x Precio del Combustible, ó

CE = 0,22 POTENCIA (HP) x FC x Precio del Combustible

FC = Factor de Combustible (0,65 – 0,85 )

Aceites, grasas y filtros (CL): Estos se estiman como un consumo porcentual de energía y se encuentra entre

(10 – 20)% según el tipo de maquina.

Brocas, varillas, manguitos, adaptadores (CB): Esta partida es quizás la de mayor importancia y se puede

calcular el numero requerido de estos según el cuadro 8.12; una vez conocida la vida util de los accesorios de

perforación, los precios que son suministrados por el fabricante nos dan una idea del valor porcentual de estos y

su consumo anual en función a las horas de trabajo del equipo al año.

Los costos de la vida útil que da un elemento de perforación (Broca, barrenas integrales, varillas, adaptadores y acoples), se calcula empleando de tabla el valor de fabrica que se estima rinde este sin deformarse entre el valor del Rendimiento de la perforación (Rp) del elemento de perforación, empleando la formula:



( )

( )hrmRmutilVidaVU

phr /=

)(Pr

hrsutilVidaecioCbr =

Una vez obtenido el valor de vida útil del elemento de perforación, este se utiliza en la siguiente formula para calcular el costo por hora que este accesorio da.

ABRASIVA (m) POCO ABRASIVA (m) ABRASIVA (m) POCO ABRASIVA (m)

BARRENAS INTERALES▪ Intervalo de Afilado 20 – 25 150 20 – 25 150▪ Vida de Servicio 150 – 200 600 – 800 200 – 300 700 – 800

BROCAS DE PASTILLAS▪ Intervalo de Afilado 20 – 25 150 20 – 25 150▪ Vida de Servicio 200 – 400 800 – 1200 250 – 350 900 – 1200

BROCAS DE BOTONESDiámetro > 64 mm▪ Intervalo de Afilado 60 – 100 300▪ Vida de Servicio 400 – 1000 1200 – 2500

Diámetro < 57 mm▪ Intervalo de Afilado 100 – 150 300▪ Vida de Servicio 300 – 600 900 – 1300 250 - 550 1000 - 1300

BROCAS DE BOTONES PARA MARTILLOS DE FONDO▪ Intervalo de Afilado 40 – 60 300▪ Vida de Servicio 400 – 1000 1200 – 2500

VARILLAS EXTENSIBLES▪ Vida de Servicio - Perforadoras Neumáticas 600 – 800 600 – 800 1000 - 1500 1000 - 1500 - Perforadoras Hidráulicas 1600 - 1400 1600 - 1400

VARILLAS INTEGRALES ROSCADAS▪ Vida de Servicio 600 - 800 600 - 800

MANGUITOS▪ Vida de Servicio 100% 100% 100% 100%

ADAPTADORES▪ Vida de Servicio - Perforadoras Neumáticas 1500 – 2000 1500 – 2000 1200 – 1600 1200 – 1600 - Perforadoras Hidráulicas 3000 – 4000 3000 – 4000 2500 – 3500 2500 – 3500

ACCESORIO

TIPO DE ROCA

OBRAS EN BANCO TUNELES Y GALERIAS

Tabla 1. 6. Vida útil de accesorios de perforación en obras mineras

1.2.5. ERRORES PRESENTES EN LA PERFORACION

Cuando se esta en operaciones de perforación en banco o en plantillas de perforación en obras subterráneas, es

conveniente identificar los diferentes tipos de errores de emboquillado y de colocación de la torre de perforación, que están

relacionados con la geometría de la voladura y su control, así como el de la desviación de los barrenos que dependen mas

del tipo de terreno, características del macizo rocoso y del tipo de equipo empleado.

Los errores debidos a la colocación de la torre de perforación cuando se produce un movimiento lateral da lugar a

un barreno dentro del plano de voladura afectando el espaciamiento entre barrenos de una misma línea, mientras que los

errores debidos a adelantar o atrasar la torre de perforación dará lugar a barrenos fuera del plano de voladura , afectando

en este caso al retiro o burden. Los errores denominados azimutales, dan lugar a barrenos situados sobre la superficie de



un cono con la perforadora situada en un vértice, los pequeños errores azimutales tienen los mismos efectos que un error

por desplazamiento lateral, mientras que los grandes errores azimutales afectan tanto al retiro como al desplazamiento.

Otro error frecuente es la desviación, que lógicamente se produce en el fondo del barreno y esta relacionada con

los ángulos de la torre de perforación, por lo que se hace conveniente y necesario medir con un inclinómetro la inclinación

de la torre. Su importancia es tal que a bancos de gran altura esta puede ser mayor, por ej. Para un banco de 20 metros de

altura, el desplazamiento se debe limitar a un máximo de 0,30 metros en banco, siendo ajustable la torre a la inclinación

previamente determinada mediante datos geomecánicos, a una precisión de 0,75º.

Los errores en el plano afectan el rendimiento óptimo de la voladura, pero los ubicados fuera del plano afectan el

retiro y tienen una mayor trascendencia y a los que hay que prestarles mayor atención. Se hace requisito indispensable

cuando el terreno lo permita, trabajar en terrazas horizontales, de esta manera se reducen los errores de emboquille y el

replanteo de la perforación se hace con las marcas testigos de referencia ubicados por detrás de la voladura anterior.

VISTA FRONTAL VISTA LATERAL VISTA FRONTAL VISTA LATERAL

ERROR DE EMBOQUILLE ERROR DE DESVIACIÓN

VISTA FRONTAL VISTA LATERAL ERROR ANGULO LATERAL ERROR DE AZIMUT

ERROR DE DESVIACIÓN ERROR DE DESVIACIÓN

FIG 1.11. Diferentes tipos de errores de emplazamiento y alineación



CAPITULO II

2. MÉTODOS DE PERFORACIÓN EN MINERÍA.

Como el primer proceso involucrado en la mayoría de las operaciones de minería, construcción y canteras, el

principio de la perforación es el de obtener huecos para voladuras de alta calidad, perforados rápidamente y en el lugar

planeado, facilitando optima y económicamente la carga de explosivos dentro de ellos.

Desde un punto de vista puramente operativo, amos a exponer brevemente, los métodos más comunes utilizados

en los trabajos de excavación de obras públicas y minería sin entrar en una descripción detallada de cada uno de los

sistemas. Tradicionalmente, la perforación ha sido desarrollada por tres métodos diferentes:

Perforación por martillo en cabeza (OTH)

Perforación por martillo de fondo (DTH)

Perforación por rotación

Fig.2.1.-Relación del diámetro de perforación vs los diferentes métodos de perforación

Estos métodos tienen aplicaciones específicas en las diferentes operaciones de excavación, dependiendo de las

características de cada uno de ellos. (Fig. 2.1). El volumen de roca a excavar y el esquema de operaciones usualmente

determina el diámetro del hueco y el tamaño de los equipos a ser utilizados.

2.1. PERFORACIÓN CON MARTILLO EN CABEZA

La perforación con martillo en cabeza puede ser dividida en dos tipos de acuerdo con la energía que utiliza:

Perforadoras con martillo en cabeza neumáticas

Perforadoras con martillo en cabeza hidráulicas

Este método de perforación combina cuatro funciones.



√ Percusión √ Empuje √ Rotación √ Barrido (Aire)

La perforación con martillo en cabeza es utilizada, normalmente, en cualquier tipo de formación y en diámetros

desde 22 mm hasta 127 mm (7/8” hasta 5”) y puede ser clasificada por el tamaño y el principio de operación en:

Perforadoras neumáticas o hidráulicas manuales

Perforadoras neumáticas manuales con patas de

apoyo extensibles

Perforadoras hidráulicas livianas montadas en

soportes para perforación mecanizada en diferentes

tipos de aplicación

Perforadoras neumáticas montadas en carros de

orugas separadas del compresor

Perforadoras hidráulicas montadas sobre carros de

oruga o cauchos con todo el sistema operativo

integrado

En este sistema, el pistón (generalmente con

diámetros de 1,5 a 2,5 veces el diámetro de la broca),

golpea la culata (shank) y genera una onda de choque que

es transmitida a través del varillaje hasta la broca. La

energía es descargada sobre la superficie de la roca en el

fondo del hueco y conjuntamente con el movimiento de

rotación de la broca, se fractura, siendo luego desalojados

los trozos por el fluido de circulación, inyectado en el hueco, hacia el exterior. La fuerza de empuje mantiene a la broca en

permanente contacto con la roca, con el fin de que este proceso se realice y se aproveche al máximo la energía.

La perforación de martillo en cabeza tiene limitaciones en el diámetro de perforación por dos factores que inciden

directamente sobre ella:

Alto consumo de aire comprimido: En la medida que se incrementa el diámetro de perforación, se incrementa

el consumo de aire. Para pasar de un diámetro de 4 ½” a 6”, la exigencia de aire comprimido que mueva el

mecanismo de impacto del martillo lo haría antieconómico.

Consumo excesivo de las herramientas de perforación: El extraordinario impulso de las percusiones

transmitidas desde el pistón del martillo, incrementadas significativamente en la medida que se incrementa el

diámetro de la broca, a través de las barras de transmisión hasta la broca, afectarían cada vez mas a un

autoconsumo de los distintos elementos de desgaste: barras, manguitos, culatas y brocas.

Estos dos factores antieconómicos, imponen una limitación en las 4” – 4 ½” el diámetro máximo de perforación

por este sistema. Por otro lado, las perforadoras de este tipo con motor de rotación independiente, permiten velocidades de

perforación, en general, mas altas que cualquier otro sistema dentro de los calibres de 1 ½” a 4 ½” para rocas duras.

2.2. PERFORACIÓN CON MARTILLO DE FONDO (DTH)

El martillo de fondo o DTH (Down The Hole) y su mecanismo de impacto operan en el fondo del hueco (de allí su

nombre). El pistón golpea directamente sobre la broca y no hay pérdida de energía por la transmisión de la misma.

Fig. 2.2.- Perforación a rotopercusión con martillo en cabeza



Los tubos de perforación llevan el aire comprimido hasta el

mecanismo de impacto y transmiten el movimiento de rotación y el empuje

necesario para mantener la broca en contacto permanente con la roca del

fondo del hueco. El aire suministrado sirve, además, para soplar el fondo

del hueco y desalojarlo de detritus generado. (Fig. 2.3)

La penetración con martillo de fondo, teóricamente, es

independiente de la profundidad del hueco, pero directamente proporcional

a su diámetro, debido a que el diámetro del pistón del martillo debe ser

menor que el diámetro del hueco. A medida que aumenta el diámetro de

la perforación, aumenta la velocidad de penetración, ya que la relación

entre el diámetro del pistón y la broca aumenta.

Esta es una razón por la que para diámetros de perforación

mayores a 4” los martillos de fondo se imponen a los martillos de

perforación en cabeza. El consumo de aire en este tipo de perforación es menor que con martillo en cabezas, debido,

principalmente, que en este sistema el mismo es aprovechado en su casi totalidad, además de que el aire que se emplea

para el funcionamiento del martillo, es el mismo que se utiliza para la limpieza del hueco. Las indicaciones más típicas de

este sistema se refieren a rocas de tipo medio a duras y diámetros de 4” a 6 ½”.

2.3. PERFORACIÓN A ROTACIÓN

La perforación a rotación con el empleo de brocas

tricónicas, fue diseñada para su utilización en la perforación petrolera,

pero actualmente está siendo empleada con gran éxito en la

perforación de huecos en grandes operaciones mineras y en muy

duras formaciones rocosas. La perforación a rotación con triconos es

utilizada para la perforación de rocas con un esfuerzo a la compresión

por encima de 5.000 bar (72.500 psi).

En la perforación a rotación, la energía de empuje es

transmitida por las barras de perforación junto con el movimiento de

rotación, proporcionando a la broca el torque suficiente para que

penetre en la roca. (Fig. 2.4). La relación entre el empuje y la rotación

determina la eficiencia de la perforación. Las pérdidas de energía en

las barras de transmisión o en la broca son despreciables en la

perforación a rotación. La rata de penetración es independiente de la

profundidad del hueco.

Este método de perforación una alta presión de empuje y una baja rotación. La relación entre estos dos

parámetros varía según el tipo de roca: roca blanda, baja presión de empuje y alta rotación y viceversa.

Fig. 2.3.- Perforación con martillo de fondo

Fig. 2.4.- Sistema de perforación a rotación



La perforación a rotación por triconos es el método predominante en grandes minas a cielo abierto que usan

huecos para voladuras hasta 440 mm (aprox. 17”). Para diámetros de perforación entre 6 ½” a 9”, los métodos de

perforación con martillo de fondo y de rotación pueden estar en competencia y requieren de una selección muy cuidadosa.

De una forma gráfica, se puede observar en la Fig. 2.5 la sugerencia del sistema de perforación en función del

diámetro de perforación y el tipo de roca.

2.4. PRINCIPIOS OPERATIVOS COMUNES A LOS SISTEMAS DE PERFORACIÓN

Existen ciertos principios operativos que pueden aplicarse en mayor o menor grado a todos los sistemas de

perforación:

√ Empuje √ Rotación √ Barrido (Aire)

Aunque de manera general se ha tratado cada uno de ellos en el capítulo anterior, vamos a realizar un análisis

mas detallado de cada uno de ellos, desde el punto de vista netamente operativo.

Empuje: Como ya se definió anteriormente, el empuje se refiere la presión que el equipo de perforación, ejerce

sobre la broca, con el fin de mantener un contacto permanente con la roca del fondo del hueco y permitir penetrarla,

avanzando en la perforación a medida que se arranca el material y se va limpiando el barreno. A este empuje hay que

sumarle la carga estática que representa el peso de la sarta de perforación.

• Perforación a rotopercusión con martillo en cabeza: Durante la perforación, la energía generada por el

mecanismo de impacto de la perforadora debe transmitirse a la roca, efectuándose así el trabajo de perforación.

Fig. 2.5.- Diagrama de sugerencia del sistema de perforación



En la perforación con martillo en

cabeza, el martillo va montado sobre un soporte

que se desliza a lo largo de una deslizadera, en

la torre de perforación, avanzando y

retrocediendo mecánicamente (cadena o

engranajes) o hidráulicamente (cilindros

hidráulicos). En la perforación por martillo de

fondo, el motor va situado en la deslizadera,

pero no así el mecanismo de impacto (martillo)

que va directamente acompañando a la broca

dentro del fondo del hueco. (Fig. 2.6). Es el

empuje el que permite durante la perforación a

percusión que la energía de los impactos del

pistón sobre el varillaje sea transmitido hasta la

roca.

Si la fuerza de empuje es demasiado baja surgirán los siguientes efectos:

Escasa transmisión de energía que se pierde en los acoples, al no existir un contacto correcto

entre barras.

Mayores desgastes en las roscas y acoples

Aumento en el desgaste de las brocas

Baja velocidad de penetración, ya que la transmisión de energía a través del varillaje será escasa

y no habrá contacto permanente entre la broca y la roca del fondo del hueco. En consecuencia, la

energía de la onda de choque no se transmitirá a la roca sino que será reflejada y absorbida por el

varillaje, fatigándolo.

Aumento de la temperatura en la sarta de perforación y especialmente en los acoples,

disminuyendo su vida útil.

Al aumentar el empuje, también lo hace de una manera gradual la velocidad de perforación, hasta

alcanzar un nivel óptimo. Si se aumentase por encima de este valor, se producirán interferencias en el

mecanismo de percusión, puesto que la broca gira con dificultad y el pistón del martillo de la perforadora no

alcanzarían el óptimo de su carrera. Los efectos sobre el sistema, si la fuerza de empuje es excesiva, serán los

siguientes:

Aumento del riesgo de atranque o agarrotamiento del varillaje a consecuencia de una reducción

de la velocidad de rotación.

Estabilidad del hueco reducida debido a la posibilidad de movimiento del equipo en la superficie.

Pandeo de la sarta de perforación que puede ocasionar desde la desviación de los huecos hasta

rotura de los barrenos de perforación.

Desgaste excesivo de la broca

El martillo perforador a percusión, solo alcanza su eficiencia teórica si el varillaje tiene libertad de giro,

dado que ambos movimientos (empuje y rotación) son conjuntos y simultáneos.

• Perforación a rotación por triconos: En la perforación a rotación la fuerza de empuje se utiliza para introducir

los insertos del tricono dentro de la roca, mientras que en la perforación a percusión la penetración se logra a

Fig. 2.6..- Deslizadera con soporte de martillo y motor de empuje



merced de la onda de choque. En consecuencia, la utilización de la perforación a rotación exige una fuerza de

empuje muy elevada, normalmente entre 1,0 y 1,5 toneladas por centímetro cuadrado de broca. El empuje

deberá aumentarse en función de la dureza de la roca. La velocidad de penetración en este sistema es

proporcional a la fuerza de empuje, por lo que al aumentar éste, hay que aumentar el torque incrementando la

velocidad de rotación. Cada equipo de perforación tiene limitaciones tanto del torque como del empuje.

Si la fuerza de empuje es muy baja tendríamos:

Baja velocidad de penetración por falta de contacto entre las herramientas de corte y la roca.

Desgaste excesivo de brocas y sarta de perforación.

Si por el contrario, es excesiva, ocasionaría:

Agarrotamiento del tricono.

Rotura del tricono por falla en la soldadura de los faldones que soportan los conos.

Desgaste excesivo del tricono y rotura de las superficies de corte.

Aumento del torque y recalentamiento del sistema de rotación.

Desviaciones por pandeo de las barras y/o rotura de las mismas.

Recalentamiento de la sarta de perforación

• Perforación a rotopercusión con martillo de fondo: Las necesidades de empuje en este sistema, presentan

situaciones intermedias a las de los dos sistemas anteriores y difieren del sistema de perforación con martillo en

cabeza en que el motor de rotación que se sitúa en la deslizadera de la perforadora, fuera del hueco, puede

producir un par de mayor intensidad, evitando la posibilidad de agarrotamiento. En este sistema se utiliza un

empuje superior al de la perforación con martillo en cabeza aunque menor que en el sistema de rotación

Rotación: El movimiento de rotación del sistema de perforación reviste una vital importancia en la velocidad de

penetración debido a que su combinación con la fuerza de empuje condicionan las variables que intervienen en la mecánica

de penetración en la roca.

• Perforación por rotopercusión: La broca gira entre impactos sucesivos que provienen del mecanismo de

percusión, de tal forma que la misma actúa sobre puntos distintos de la roca en el fondo del hueco.

En el caso del martillo en cabeza, el mecanismo de rotación puede ir situado dentro de la perforadora

(barra estriada) o bien incorporado exteriormente a la misma (motor de rotación). Si el mecanismo de rotación va

alojado dentro de la perforadora, el mismo va acoplado directamente al mecanismo de impactos, de tal forma que

un pequeño número de impactos proporcione velocidad de rotación reducida. Si el motor de rotación es

independiente, la velocidad de rotación puede regularse al margen del mecanismo de impactos. La rotación se

transmite al varillaje a través del buje que lleva montado la perforadora.

En el caso de martillo de fondo, el mecanismo de impactos acompaña a la broca en el fondo del hueco,

mientras que la rotación se transmite desde in motor montado sobre la deslizadera y detrás del último tubo, pero

sin penetrar en el hueco.

La rotación entre los diferentes y consecutivos impactos debe adaptarse en la idea de producir el mayor

numero posible de detritus, procurando que la broca golpee siempre en puntos distintos. Cuando se perfora con

brocas de insertos, la velocidad de rotación mas usual es la de 80 a 100 rpm, lo que proporciona ángulos de giro

de 10° a 20° entre impactos. Para las brocas de botones debe utilizarse una velocidad de rotación mas baja.



Para diámetros de broca comprendidos entre 51 y 89 mm, se utilizan velocidades comprendidas entre

40 y 60 rpm, las que proporcionan ángulos de 5° a 7°. Para brocas de mayor diámetro, se requieren velocidades

mas bajas, al objeto de reducir la velocidad periférica, y en consecuencia el desgaste de las mismas.

Si la velocidad del movimiento de rotación es insuficiente, se obtendrán los siguientes efectos:

Baja velocidad de penetración.

Aumento en la fatiga de los barrenos.

Entrabamiento de las herramientas

En caso contrario, el exceso ocasionaría:

Desgaste excesivo de la broca

Desgaste excesivo de las barras de perforación y acoples.

Recalentamiento del sistema.

• Perforación a rotación: Cuando se perfora con este método, la broca debe girarse de tal modo que, la misma

esté en contacto con puntos distintos de la roca en el fondo del hueco. El motor de rotación, aquí, es de

accionamiento hidráulico o eléctrico, pudiendo regularse el mismo escalonadamente, el mismo va montado sobre

la deslizadera de avance y en la parte trasera del varillaje. Entre 50 y 90 rpm, son las velocidades de rotación

mas usuales, aun cuando lo mejor es recurrir a ciertas pruebas prácticas para determinar, desde el punto de vista

económico, cual es la velocidad mas ventajosa.

La velocidad de rotación insuficiente ocasiona:

Paralización de la perforación

Agarrotamiento de la broca

En caso de ser excesiva:

Desgaste excesivo de la broca y el varillaje.

Recalentamiento del sistema.

Rotura de los elementos de corte de las brocas.

Barrido: La eficacia de la corriente del fluido depende de la velocidad y de su densidad específica. Para el caso

del aire comprimido, con escasa densidad, se requiere una alta velocidad. La velocidad idónea es aquella que resulta

adecuada para recoger y acarrear fuera del hueco las partículas mayores arrancadas por la misma y a la misma velocidad

que se producen y ésta depende y debe calcularse de acuerdo a la velocidad de perforación, densidad de la roca y ángulo

de perforación del hueco

• Perforación por rotopercusión: Para este tipo de perforación, la presión a la cual se inyecta el aire, a lo largo

del varillaje hasta la broca, es un factor importante,, debido a que el flujo de aire está sujeto a limitaciones por el

tamaño del conducto interior de las barras de perforación, que dan paso para el barrido, y por el hecho que es la

presión de funcionamiento de la perforadora y no la presión optima del fluido, la que constituye el factor decisivo,

dado que ambos son producidos por el mismo compresor.

Cuando la roca a perforar está muy fisurada, suele darse la circunstancia que el fluido de circulación no

emerja del hueco, aumentando, consecuentemente, el riesgo de atascamiento del varillaje. En tales condiciones,



el operador debe disminuir la energía de impacto, continuando la perforación lentamente y subiendo y bajando

continuamente la sarta hasta que las fisuras queden selladas con el detritus.

• Perforación a rotación: En la perforación rotativa con triconos, la evacuación del detritus es similar o la de otros

métodos de perforación. La diferencia estriba en que el aire de barrido, además de ser inyectado en el hueco

para la limpieza del detritus, circula por los cojinetes de bolas de los conos de la broca, de tal forma de

mantenerlos libres de partículas que puedan acortarles la vida y mantenerlos refrigerados. El aire de barrido,

generalmente es mezclado con cierta proporción de aceite, de tal manera que mantenga una lubricación

constante en los rodamientos de la broca y ayude a mejorar el enfriamiento de los mismos. En este sistema de

perforación, los equipos están dotados de compresores que producen aire a presión, solamente para el barrido, y

que actúan independientemente del sistema de rotación, de forma que puede inyectarse a la presión adecuada

para la limpieza.

En general, para una eficaz operación de perforación, un barrido insuficiente originará:

Mayor riesgo de entrabamiento de la sarta de perforación por atascamiento de la broca.

Disminución de la velocidad de penetración por efecto de la remolienda del detritus

depositado en el fondo del hueco.

Mayor desgaste en las brocas.

Mayor desgaste del varillaje por incremento de la fatiga en el material y sobrecalentamiento

El tamaño de los fragmentos depende, aparte de otras características intrínsecas de la matriz rocosa,

del sistema de perforación. La perforación a percusión en rocas duras, produce detritus cuyas dimensiones

oscilan desde polvo hasta 6 mm, aproximadamente, con un promedio de dimensiones de 0,6 mm; en cuanto a la

perforación rotativa con triconos, el detritus abarca desde polvo hasta fragmentos de 12 a 18 mm de longitud, con

promedio de 4 a 8 mm. Por esta razón, la perforación rotativa exige velocidades mas altas que los otros métodos,

colocándose por encima de los 5.000 pie/minuto (25 m/seg).

2.5. PARÁMETROS DE EVALUACIÓN DE LOS MÉTODOS DE PERFORACIÓN

Aunque han sido propuestos criterios mas sofisticados, los que expondremos son empleados en la evaluación de

la ejecución de un sistema de perforación o en la comparación de los diferentes sistemas:

Energía y potencia

Rata de penetración

Desgaste de la broca

Costos

Dependiendo de las circunstancias particulares de trabajo, la importancia de uno de estos parámetros sobre otro puede

variar, sin embargo, en el caso de la energía, rara vez es una cuestión fundamental y cuando se la compara es con relación

a sus efectos sobre la rata de penetración. La rata de penetración y el desgaste son criterios mas utilizados para evaluar o

comparar los sistemas, sin embargo, están directamente relacionado con el parámetro más representativo de todos que es

el costo, debido a que él resume los resultados de los otros y es la medida definitiva de la factibilidad; por lo tanto, es

deseable conocer la influencia cuantitativa de las variables de operación pertinentes sobre la energía, la rata de penetración

y el desgaste de la broca. (Tabla 2.1)



Roto Percusión Rotación tricónica

1. Potencia del taladro X X

Empuje del taladro X X

Par del taladro X X

Velocidad de rotación X X

Energía de golpeteo X -

Frecuencia de golpeteo X -

2. Dimensiones de la sarta X X

Geometría de la sarta X X

Propiedades de la sarta X X

3. Diámetro de la broca X X

Geometría de la broca X X

Propiedades de la broca X X

4. Rata del flujo del fluido X X

Propiedades del flujo X X

Tabla 2.1.- Variables de operación y sus efectos sobre los diferentes métodos

Energía y Potencia

• Perforación a percusión: Los dos factores que influyen en el rendimiento de la perforación a percusión son la

energía disponible de la perforadora y el empuje. La energía desarrollada por una perforadora de percusión, es

generada por la presión del aire que actúa detrás del martillo durante su ciclo de trabajo. Esta energía es

transferida a través de del varillaje hasta la broca.

Energía disponible: la energía por golpe, U, será igual al trabajo de compresión del aire en el cilindro

del pistón:

U = C1 P x A L, donde:

U = Energía por ciclo P = Presión del aire

A = Superficie de la cara del pistón L = Recorrido del pistón

Por lo tanto, la potencia del martillo será:

P = U x n

Por ello, la frecuencia de los golpes, parámetro de gran interés, para el rendimiento de la perforación

está relacionado con las características del pistón, su recorrido dentro del cilindro y la presión del aire comprimido

por la siguiente ecuación:

Donde:

W = Peso del pistón 2/1

2 ⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=WLPACn

L = Recorrido del cilindro

La potencia de la perforadora vendrá dada por:

( )2/1

2/33 ⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛=WLPACP



Ambos parámetros P y n, caracterizan por sí mismos una perforadora de este tipo.

Empuje: Matemáticamente se ha determinado que el empuje es función de la energía percutiva del

pistón, de la rigidez del sistema de perforación y de la resistencia de la roca, y, empíricamente, el empuje optimo

se obtiene por la fórmula:

Donde:

F = Empuje (kg) P = Presión (kg/cm2)

F = ½ P x A,

A = Sección del barreno (cm2)

• Perforación a rotación: La fuerza de corte en una penetración rotativa es función tanto de la geometría de la

broca como de la resistencia de la roca y la profundidad del corte. La fuerza de corte se descompone en una

fuerza tangencial N y otra vertical F.

Par y empuje: La fuerza tangencial N constituye el esfuerzo resistente que la roca ofrece a la rotación

de la broca. El par T, medido en el eje de la perforadora, es el producto de la fuerza tangencial por el radio de la

broca. La fuerza tangencial N está en relación con el empuje o fuerza vertical F, de acuerdo con una ecuación

similar a la de Coulomb. El par resistente total sobre el área del barreno viene dado por:

Donde:

T = Par r0 = Radio exterior de la broca 2

120

31

30

32

rr

rrFT

−

−= μ

F = Empuje vertical sobre la broca r1 = Radio interior de la broca

μ = Coeficiente de fricción de la roca al efecto de perforación

Este par resistente, es cuantitativamente determinado por el mínimo par de la perforadora que permite

penetrar la roca. Si tomamos re como radio efectivo de la broca, que de una forma experimental viene a ser el

radio de la broca, instantáneamente en contacto con la roca:

21

20

31

30

32

rr

rrFer −

−= μ

La ecuación se reduce a:

T = μ x F x re

De esta ecuación se deduce que si μ es constante, el par es proporcional al empuje sobre la broca.

Realmente el coeficiente de fricción μ no es constante, ya que es función, así mismo, del empuje aplicado, pues

varía con éste, el espesor del corte.

Velocidad de Penetración

• Perforación a percusión: El balance entre la energía de la perforadora y la resistencia de la roca se establece

cuando se igualan la energía aplicada a la roca con la energía consumida por ésta:

Donde:

P = potencia de la perforadora (kg/seg) Ct = Rendimiento de transmisión

P x Ct = S x Ar x R,

Ar = Área de la sección de perforación (cm2) S = Energía específica

R = Velocidad de la perforación (cm/seg)



Llamamos energía específica a aquella necesaria para remover la unidad de volumen de una roca dada;

se mide en kg/cm2.

• Perforación a rotación: El índice que determina la penetración en la roca, se determina pro relación entre la

energía desarrollada por la perforadora y la realmente utilizada por la roca. Llamando n a la velocidad de

rotación, la energía desarrollada por unidad de tiempo, por la perforadora será: 2πnT, mientras que la energía

consumida, resulta ser SArR, es decir, el producto de la energía específica pro unidad de volumen perforado, por

la sección del barreno y por la velocidad de perforación. El balance establece:

2πnT = SArR

rSAFnK

rSAFn

errSA

nTR μπμπ=== 22

De esta relación se deduce que en principio la velocidad de perforación R para una roca dada, y para un diámetro

de perforación determinado, es linealmente proporcional con el empuje F y la velocidad de rotación n. En la

práctica no es exactamente cierto, ya que el coeficiente de fricción de la roca varía con el empuje.

Consumos

El término desgaste se refiere en este caso a las pérdidas de dimensión, peso o forma de los elementos cortantes

en la broca, por unidad de tiempo o longitud del hueco. Es una medida inversa a la vida de la broca,

normalmente expresada en numero de metros de hueco, durante los cuales la herramienta penetra la roca

económicamente y con efectividad a una rata aceptable. Tan solo se puede establecer de una forma cualitativa,

cómo afectan al desgaste, los distintos parámetros, así:

• Perforación a percusión:

Donde:

P = Energía de percusión α = Ángulo de impacto fFbdN

rdfVPKD

×××

××=

α

Vf = Viscosidad del fluido db = Dureza de la broca

dr = Dureza de la roca Ff = Flujo del fluido

N = Numero de dientes de la broca

• Perforación a rotación:

Donde:

R = Velocidad de rotación E = Empuje

fFbdErdR

KD×××

×=

α

α = Angulo de corte de la broca

2.6. CRITERIOS PARA LA SELECCIÓN DEL MÉTODO DE PERFORACIÓN

La selección de una máquina de perforación es uno de los tipos de evaluación más críticos a ser realizado por el

ingeniero responsable de las operaciones y en el que se requiere juicios de valor bien fundamentados, por el cuidadoso

análisis de todas las variables que interviene en el proceso. Generalmente, el procedimiento sigue los siguientes pasos:



1. Determinar y especificar las condiciones en las que va a ser utilizada la máquina (terreno, clima, tipo de labor,

personal, etc.)

2. Establecer los objetivos para la fase de operaciones, de acuerdo a los factores condicionantes (tamaño de la

excavadora, trituradora, cuota de producción, geometría de la mina, etc.)

3. Basándose en los requerimientos de las voladuras, diseñar el patrón de voladuras (diámetro y profundidad del

hueco, inclinación, retiro, espaciamiento, etc.)

4. Determinar los factores de perforabilidad y seleccionar los métodos que considere más factibles de ser utilizados

5. Especificar las variables de operación que influyen en los costos para cada sistema en consideración, teniendo en

cuenta el taladro, la sarta de perforación, broca, caudal del fluido de circulación, empuje, par, velocidad de rotación

6. Estimar los parámetros de rendimiento, velocidades de perforación, energía específica, consumo, amortizaciones,

personal, etc. llegando, si es posible, a la obtención del costo por tonelada o metro cúbico.

7. Seleccionar el sistema que satisfaga mejor todos los requerimientos al menor costo.

• Equipos de perforación para trabajos a cielo abierto

En minería, normalmente se pasan entre 5 y 10 años desde la fecha del descubrimiento de un yacimiento hasta

que el proyecto esté en plena producción. Para este período de desarrollo y para el posterior de producción, se requiere

una amplia gama de equipos. La elección correcta del método y equipamiento tiene una importancia vital en el buen éxito

de las operaciones.

Las aplicaciones para los equipos de perforación en una explotación a cielo abierto son:

- Perforación de exploración

- Construcción de accesos

- Preparación de los bancos

- Perforación de los bancos de mena

- Perforación de los bancos de estéril

- Perforación de recuperación (en caso de carbón o menas muy blandas)

Tales aplicaciones requieren de diferentes técnicas de perforación, la extensión y naturaleza del trabajo deciden el

tipo de los distintos equipos en la tabla 2.2 y la Figura 2.7.

• Equipos de perforación para trabajos subterráneos

Los equipos de perforación pueden agruparse por categorías en:

- Perforadoras manuales

- Jumbos mecanizados

- Equipos de producción

Las perforadoras manuales se utilizan en pequeñas y grandes operaciones de minería por su versatilidad y poco

peso, pudiéndose utilizar en cualquier propósito y transportables por el minero.

Los jumbos se fabrican en muchos modelos, al objeto de ceñirse a las distintas necesidades que se presentan en

la explotación minera. Existen maquinas que se desplazan sobre vías férreas y otros modelos incorporan orugas y

cauchos.



Los equipos de producción se diseñan para satisfacer los requerimientos específicos de cualquier método de

explotación desarrollado. En las Figuras 2.7, 2.8 y 2.9 se reseñan los métodos de perforación que con mayor frecuencia se

utilizan en las labores subterráneas, rendimiento y volumen de producción por metro perforado.

Aplicación Diámetro de perforación Tipo de equipo

Perforación de investigación 76 a 170 mm

(3” a 6 ¾)

- Equipos de perforación rotativa

- Equipos de perforación helicoidal

- Equipos de perforación con recuperación de testigo

Construcción de accesos 27 a 89 mm

(1” a 3 ½”)

- Equipos sobre orugas con martillo en cabeza

Preparación de bancos 38 a 102 mm

(1 ½” a 3 ½”)

- Equipos sobre orugas con martillo en cabeza

- Equipos de perforación con martillo de fondo

Perforación de bancos en estéril 76 a 440 mm

(3” a 17 ½”)

- Equipos sobre orugas con martillo en cabeza Equipos de

perforación con martillo de fondo

- Equipos de perforación de rotación con broca de tricono

Perforación de producción 76 a 200 mm

(3” a 8”)

- Equipos sobre orugas con martillo en cabeza Equipos de

perforación con martillo de fondo

- Equipos de perforación de rotación con broca de tricono

Perforación de recuperación

(carbón y/o menas blandas)

400 a 1300 mm

(16” a 51”)

- Barrena helicoidal para recuperación de carbón

Tabla 2.2.- Equipos de perforación en operaciones a cielo abierto

Fig. 2.7.- Métodos de perforación por bancos empleados en operaciones a cielo abierto



Fig. 2.8.- Métodos de perforación mas generalizados, equipos utilizados y productividad



Fig. 2.9.- Métodos característicos de perforación de barrenos largos, equipos utilizados y productividad



CAPITULO III

3. MÉTODOS DE PERFORACIÓN POR PERCUSIÓN

3.1. DESARROLLO HISTÓRICO

El martilleo sobre una barra agarrada con la mano fue el primer tipo de perforación de percusión Sin embargo, el

avance de la perforación percutiva coincide, en el tiempo, con el desarrollo industrial del siglo XIX, en principio como una

aplicación mas del empleo de vapor como nueva fuente de energía.

En 1838 Singer desarrolló una máquina de vapor que levantaba una barra de perforación y la dejaba caer por

gravedad y V. V. Couch de la ciudad de Filadelfia en los Estados Unidos de América, patentó el primer taladro de

percusión en 1849. Su máquina era un taladro de vapor que lanzaba la barra de perforación a la roca y la retraía por

medio de una rueda de trinquete. Mas tarde, J. W. Foule añadió la rotación automática de la barra. En 1871, Simon

Ingersoll patentó un perforadora de roca montada sobre un trípode que permitía perforar huecos en cualquier ángulo,

vertical a horizontal.

A finales del siglo XIX los taladros de percusión utilizados eran taladros tipo pistón. El barreno era sólido y

acoplado a una extensión del pistón. La limpieza del hueco se hacía por bombeo de aire por un tubo soplador, luego de

retirar las barras de perforación, operación que se hacia de manera intermitente. El verdadero impulso de la aplicación de

la percusión a la perforación de rocas y el empleo del aire comprimido como una fuente de energía cómoda y segura en

minería, fue la apertura del túnel de Mont Cenis en los Alpes Suizos en 1860, en el que tras el empleo de la perforación

manual, y por lo tanto un avance muy lento, se decidió probar con una perforadora neumática diseñada por el ingeniero

jefe del proyecto Germain Sommelier.

El precursor del taladro que se utiliza en nuestros días fue el taladro de pistón libre, que fue patentado por Sargent

en 1888, y debido a que se utilizaba un barreno sólido, no se alcanzaba el éxito en la limpieza de los barrenos perforados

hacia abajo. J. G. Leyner resolvió, en 1897, el problema de la limpieza del barreno al aplicar el principio de la utilización

de la inyección de aire comprimido a través de los aceros de perforación al trabajo con huecos hacia abajo y horizontales.

La clave consistió en pasar aire comprimido y agua a través de un barreno hueco para limpiar la perforación. Los trabajos

de Leyner sobre válvulas y mecanismos de rotación aumentaron la frecuencia de golpes por minuto de las perforadoras

de martillo, desde 300 o 400 a 1800 y más, haciendo posible las primeras máquinas de perforación más ligeras.

Es evidente que el desarrollo de la perforación a percusión, en la misma época del desarrollo de la industria de los

explosivos, con la aparición de la dinamita, constituye la causa del impulso que sufre la minería y las excavaciones en

obras públicas a finales del siglo pasado y que, en su mayoría, la aplicación fundamental fue hacia la minería subterránea,

desarrollándose desde un principio modelos especiales para su uso en operaciones de cielo abierto.

3.2. PRINCIPIO DE LA PERFORACIÓN A ROTOPERCUSIÓN CON MARTILLO EN CABEZA.

La perforación a rotopercusión con martillo en cabeza, de acuerdo al medio de transmisión de energía utilizado,

puede dividirse en dos tipos:

√ Martillo en cabeza hidráulico √ Martillo en cabeza neumático

La perforación con martillo en cabeza combina cuatro funciones básicas:

√ Percusión √ Empuje √ Rotación √ Barrido (Aire)



La energía de percusión producida en la perforadora por el pistón es transmitida a la roca a través de las barras

de perforación. La roca es fracturada en el fondo del hueco por los esfuerzos proporcionados por la broca.

En el martillo en cabeza, el pistón es acelerado a una cierta velocidad antes de golpear la culata o la barra de

perforación. La energía cinética del pistón se transmite a la barra en forma de onda de choque. La barra se comprime

una longitud equivalente a dos veces la longitud del pistón, produciéndose, al mismo tiempo un ensanchamiento de la

misma. La onda de choque viaja a través de la barra a una velocidad, aproximada, de 5.000 m/s. (la velocidad del sonido

en el acero). En una perforadora, la frecuencia de impactos está por encima de 50 impactos por segundo, lo que significa

que la distancia entre las ondas de choque es de aproximadamente 100 metros. La forma de la onda de choque viene a

su vez determinada por la forma y velocidad del impacto del pistón.

Un nivel de carga elevado acorta la vida de las barras. Al objeto de transmitir una gran cantidad de energía y

asegurar, al mismo tiempo, una larga duración del varillaje, es necesario que la onda de choque tenga una amplitud

reducida, lo que es igual a un nivel de carga bajo y uniformemente distribuido. Si los huecos a perforar son profundos,

surge la necesidad de unir diferentes barras con acopladores (manguitos). El movimiento de la onda de choque a través

de las barras llega a los puntos de fricción entre la rosca de las barras y la de los manguitos de acoplamiento, originando

desgastes en roscas y pérdidas de energía pro generación de calor. En la primera unión, las pérdidas son del orden del 8

al 10%, pero disminuyen sucesivamente en las respectivas uniones.

Cuando la onda de choque llega a la broca, la energía es transmitida a la roca, fracturándola y produciendo la

penetración. Pequeñas porciones de la onda de choque se reflejan y regresan a las barras de perforación. Los cinco

parámetros que afectan la penetración en una perforadora con martillo en cabeza son:

Energía de impacto Frecuencia del impacto Velocidad de rotación Fuerza de empuje Barrido del hueco

La percusión es formada por una combinación de la energía de impacto y la frecuencia, lo que determina la

manera como la onda de choque es transmitida a las herramientas de perforación (varillaje).

• Percusión.

La potencia de percusión de un martillo es creada por la energía de impacto y la frecuencia de impacto.

La frecuencia de impactos de los martillos neumáticos varía entre 1600 y 3400 golpes por minuto, mientras que en

un martillo hidráulico entre 2000 y 4000 golpes por minuto. La potencia de salida es directamente proporcional a

la presión del aceite hidráulico o del aire comprimido aplicado al sistema de percusión del martillo. Éstos definen

la energía de impacto y la frecuencia.

Puesto que en la perforación a percusión la roca es fracturada por impactos individuales, la broca debe

ser girada entre cada impacto. Esto determina la mínima cantidad de impactos por minuto (frecuencia), porque la

broca no debe ser girada mas que lo que la frecuencia de impactos determina, de lo contrario, la rotura de la roca

será causada solamente por efecto de la rotación. Por otro lado, si la broca no es girada lo suficiente entre los

golpes sucesivos, hay una excesiva remolienda del detritus.



La energía de impacto puede ser ajustada de acuerdo al diámetro de la broca y al diámetro de las

barras de perforación. Un óptimo nivel de energía de impacto proporciona alta penetración a una velocidad

uniforme. Excesiva energía de impacto en relación con la velocidad de rotación causará una velocidad de

rotación no uniforme sin incremento en la penetración. El nivel de energía de impacto es determinado

normalmente por la dureza de la roca. Si la dureza de la roca varía, se condiciona al taladro para trabajar según

el estrato rocoso mas duro de la formación en la que se trabaja. Un límite para la energía de percusión es

determinada por las barras de perforación. Cuando se utilizan barras de cierto diámetro, sólo una cantidad

máxima de energía cinética puede ser transmitida a través de ellas. (Tabla 3.1)

Diámetro de las barras (pulg) Potencia recomendada (kW)

1 8 .....12

1 ¼ 10 .... 14

1 ½ 14 .... 16

1 ¾ 16 .... 18

2 18 .... 22

Tabla 3.1.- Potencia recomendada del martillo para diferentes diámetros de barras de perforación

La eficiencia, cuando la energía de impacto es transmitida desde el pistón del martillo a las barras de

perforación, es determinada por la siguiente fórmula:

Donde:

n = Eficiencia (%)

S = Relación entre el diámetro del pistón y el de la barra

Ap = Área de la sección del pistón

2

1400 ⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛

+=

SSn con

b

p

AA

S = ,

Ab = Área de la sección de la barra de perforación

• Velocidad de rotación.

La función principal de la rotación es suministrar el giro a la broca para posicionarla en un nuevo punto

entre golpes. La velocidad de rotación, normalmente depende de:

Diámetro de la broca Profundidad del hueco Tipo de broca Condiciones de loa roca Fuerza de empuje

La insuficiente velocidad de rotación resulta en una baja velocidad de penetración debido al

entrabamiento de la sarta y una excesiva remolienda de detritus, pérdida de lso acoplamientos y desgaste

excesivo de las roscas de acopladores y barras. Una excesiva rotación resulta en un aumento del desgaste de

los aceros de perforación debido a que la roca es fracturada por el efecto de la rotación y no por la combinación

de ésta con la energía de percusión, además de producirse un apretado excesivo de los acoplamientos y un alto

desgaste del acoplador de la culata. La fuerza de empuje y la rotación deben estar en balance.

La rotación entre golpes sucesivos, debe estar ajustada a producir detritus tan grandes como sea

posible, evitando el golpeteo sobre el mismo punto de la roca varias veces. En la perforación a rotopercusión, la



velocidad de rotación debe estar entre 80 y 250 rpm. Para brocas de ∅ < 50 mm, la velocidad de rotación oscila

entre 200 y 300 rpm; para brocas de ∅ > 64 mm, la velocidad de rotación es mucho mas baja (50 a 200 rpm). El

ajuste de las velocidades de rotación requeridas par cada diámetro de broca, es necesario para la prevención de

la reducción del diámetro de la broca por desgaste anormal de los laterales y los insertos de la periferia de la

misma. (Fig. 3.1)

• Fuerza de empuje

La broca debe permanecer en contacto permanente con la roca del fondo del barreno, maximizando la

transferencia de energía de percusión desde la broca hasta la roca. La magnitud de la fuerza requerida depende

de:

Potencia de percusión

Condiciones de la roca

Profundidad del hueco

Características estructurales de los barrenos

El martillo en cabeza está montado

sobre un soporte que se mueve a lo largo de

una deslizadera colocada en la torre de

perforación. Este sistema provee la fuerza de

empuje necesaria, suministrada por un motor

que moviliza el soporte del martillo por medio de

una cadena. La fuerza de empuje se establece

en función de las condiciones de la roca. Las

variaciones de la fuerza de empuje causan los

siguientes efectos:

Broca de insertos

Broca de

Fig. 3.1.- Velocidad de rotación entre consecutivos impactos como función de la rata de penetración y el diámetro de la broca

Empuje

Rata de penetraci

ón

Fig. 3.2.- Efecto de la fuerza de empuje respecto a la rata de penetración en un martillo en cabeza



Empuje insuficiente:

- Excesivo desgaste de las roscas y conexiones con tendencia a perder el roscado de las barras.

- La onda de choque no se transmite a la roca, reflejándose sobre las conexiones de las barras,

generando mucho calor y reduciendo la vida útil de la herramienta.

- Disminución de la velocidad de penetración debido a la poca transmisión de energía

Empuje excesivo:

- Incremento de la resistencia a la velocidad de rotación.

- Velocidad de rotación desigual.

- Excesivo desgaste de los aceros de perforación y desviación de la dirección de los huecos debido

al pandeo de las barras.

- Alta probabilidad de entrabamiento de la sarta de perforación.

El incremento de la fuerza de empuje incrementa la rata de penetración hasta un cierto punto;

de allí en adelante, la penetración cae a valores mucho más bajos o su paralización. (Fig. 3.2)

• Barrido del hueco.

El barrido es necesario para remover el detritus del fondo del

hueco. Si el barrido no es suficiente, tiene lugar una remolienda del

detritus, la velocidad de penetración decrece y la broca sufrirá desgaste

excesivo rápidamente. El aire comprimido en la perforación a cielo abierto

o del aire mezclado con agua en la subterránea, es forzado al fondo del

hueco a través de un agujero central, practicado a lo largo de las barras de

perforación e inyectado por los agujeros aspersores de la broca. El detritus,

mezclado con el fluido de circulación, es forzado a salir del hueco a través

del espacio entre las barras de perforación y las paredes del hueco. (Fig.

3.3).

Experiencias de campo han demostrado que para que el desalojo

del detritus sea efectivo, la velocidad del fluido de circulación debe estar

por encima de 15 m/s. Con un flujo constante del fluido a través de los

aceros de perforación, la presión del mismo disminuirá en la medida del

incremento de la longitud del hueco, por lo que es importante, utilizar un

compresor que produzca suficiente altos niveles de presión, con el fin de

mantener un flujo de aire y una presión constante, con cualquier tipo de

varillaje y a cualquier profundidad razonable.

3.2.1. MARTILLOS EN CABEZA HIDRÁULICOS

Los equipos de perforación equipados con martillo en cabeza hidráulico, fueron lanzados al mercado

hace unos 25 años. Éstos han penetrado rápidamente en todas las aplicaciones y en todo el mundo, donde la

eficiencia y el rendimiento a bajos costos son necesarios. Durante estos 25 años, el rango de tamaño en el

diámetro de la perforación, con la utilización de martillos hidráulicos, ha sido incrementado, pudiéndose lograr el

empleo de equipos de martillo en cabeza por encima de las 5” (127 mm) y hasta las 8” (203 mm), en casos

Fig. 3.3.- Principio del barrido



especiales; siendo éste el rango en el cual los equipos de perforación DTH y de rotación son normalmente

empleados.

La perforación con martillo en cabeza hidráulico, es el método más moderno. El diseño básico fue el de

remplazar el aire comprimido como medio de transmisión de energía con aceite hidráulico. Los martillos

utilizados en las perforaciones ofrecen ventajas específicas en la transmisión de fuerza y energía. El

movimiento rotatorio y lineal se puede llevar a cabo con un alto grado de precisión y aplicabilidad. A lo largo de

la introducción de perforadoras hidráulicas para roca, la mecanización ha estado disponible para perfeccionar el

trabajo en el medio. Un perforador hidráulico típico consiste, al menos, en los siguientes circuitos hidráulicos

independientes:

√ Martillo √ Empuje √ Torre √ Tren de rodamiento √ Colector de polvo

Cada una de éstos es controlado por un sistema de válvulas. El aceite hidráulico es bombeado a los

circuitos por una bomba de pistón, accionada por un motor diesel o un generador eléctrico.

La energía de percusión del martillo se genera por la presión y flujo del aceite hidráulico. Varias

combinaciones de presión y flujo pueden ser seleccionadas para proveer el requerimiento de energía de

percusión, el producto de presión y flujo es la energía de impacto. La perforadora hidráulica opera normalmente

a un rango de presión desde (75 a más de 250 Bar). Debido a que las fugas internas tienden a incrementarse

en la medida que aumenta la presión, con la consiguiente perdida de flujo, en el diseño interno del martillo hay

una correspondencia entre la presión y el flujo del aceite, que permite el equilibrio entre ambos. Las presiones

bajas facilitan el uso de componentes simples y confiables y minimizan los problemas en las mangueras y

conexiones.

Una importante variación de diseño está referida al mecanismo que regula el flujo de aceite que permite

el movimiento de vaivén del pistón dentro de la camisa. En un diseño típico operado a baja presión, un

distribuidor o válvula de paso, abre y cierra, alternativamente, el paso del aceite en el frente y el fondo de la

camisa, dándole movimiento al pistón. Las ventajas de este diseño son canales cortos de flujo, baja pérdida de

la presión y minimización de fugas. El sistema depende de sólo dos elementos en movimiento, la válvula y el

pistón. El otro sistema, que utiliza niveles de alta presión y elevados flujos de aceite, utiliza una válvula de

distribución separada y próxima al módulo de percusión. Los canales internos de distribución son de muy poco

diámetro y largos, lo que permite aumentar la presión y el flujo. Las especificaciones de un martillo hidráulico

particular, están dadas, generalmente, por el tipo de flujo o niveles de presión del mismo. A partir de allí, se

puede calcular la potencia del martillo hidráulico:

Donde:

P = Potencia del martillo (kW) Q = Flujo del aceite (l/min)

P = pQ/1000

p = Presión del aceite (bar)

La eficiencia de un martillo hidráulico está, normalmente, entre 35% y 60%, el resto de la potencia se

disipa en forma de calor. La potencia del martillo indica el tamaño y tipo de las herramientas a utilizar (barras,

acopladores, broca), que son adecuadas a él. La Tabla 4.1 puede ser tomada como una guía.

Principio operativo de un martillo hidráulico

La operación de un martillo hidráulico consiste en dos funciones independientes: percusión y

rotación. Las figuras 3.4 a la 3.7 muestran el principio operativo de un martillo hidráulico.



El pistón es mostrado en el tope de su recorrido hacia el frente. El aceite hidráulico entra en

el martillo a través de una válvula de alta presión (1) y fluye dentro de la parte frontal de la camisa (2).

Esto fuerza al pistón a retroceder y al mismo tiempo entra en la cámara distribuidora (3) forzando al

distribuidor (4) hacia la posición trasera. Parte del aceite liberado entra en el acumulador de alta

presión (5) presionando su nitrógeno y acumulando energía. En esta posición el aceite en la parte

trasera de la camisa se escapa a través de la válvula (6) hacia la válvula de retorno (7). El acumulador

de baja presión (8) funciona de manera similar para prevenir sobrecargas en las mangueras de retorno.

Cuando el pistón va hacia atrás el anillo de éste (9) tapa la válvula (6), la válvula (10) se abrirá

y liberará la alta presión acumulada y empujará el pistón hacia atrás. La presión de choque causada

por el pistón se absorberá en el acumulador (5). Después de esto, el anillo del pistón (11) liberará la

válvula (12) y el aceite presurizado en la cámara del distribuidores deriva hacia la línea de retorno.

Antes de esto, el anillo (13) impide que el flujo de aceite de la cámara del distribuidor, y la presión en el

frente de la camisa evite que el pistón regrese.

Como la presión en la cámara de distribución ha sido aliviada, la alta presión que se

encuentra en la parte trasera del distribuidor (4) empuja al pistón, cubriendo la válvula de escape (6).

En esta posición el aceite puede fluir hacia la parte trasera de la camisa a través de la válvula (14) entre

el distribuidor y la camisa. En el mismo instante, el aceite fluye a través de la válvula (10) hacia la

camisa. El pistón inicia su movimiento hacia adelante debido al desbalance de fuerzas entre la parte

trasera y la parte frontal de la camisa. En ese mismo instante, el acumulador de alta presión (5)

descarga aceite a la línea de alta presión, incrementando el flujo de aceite en la camisa. Un momento

antes del punto de percusión del pistón, el anillo (12) permite fluir el aceite hacia la cámara del

distribuidor y el desbalance de fuerzas entre las caras del distribuidor lo mueve hacia atrás, cerrando el

suministro de aceite a la parte trasera de la camisa. Después del impacto, el ciclo se repite.

Fig. 3.4.- Pistón del martillo en el final de su recorrido hacia el

Fig. 3.5.- Pistón del martillo en movimiento hacia atrás.

Fig. 3.7.- Pistón del martillo en movimiento hacia



3.2.2. MARTILLOS EN CABEZA NEUMÁTICOS.

El martillo neumático en cabeza ha sido el empleado desde comienzos del siglo XX. Hoy, después de

más de sesenta años de desarrollo se ha logrado la máxima eficiencia que de ellos se puede obtener. El

mecanismo de percusión de todos los tipos de martillo es el mismo: el pistón se mueve hacia atrás y adelante

por efecto del aire comprimido, con una presión que varía entre 4 y 8 bar. El diseño puede ser con válvulas de

control de aire o sin ellas; la rotación proporcionada por un rachet, barra estriada o independiente con motor

hidráulico o neumático. La rotación por medio de un motor independiente es el mas comúnmente utilizado en

los equipos de minería de superficie.

Las ventajas del martillo neumático son su simplicidad, robustez y confiabilidad, además de un bajo

precio de adquisición. Las desventajas incluyen baja productividad, alto consumo de energía, altos niveles de

ruido y poca mecanización.

Principio operativo de un martillo neumático

Al igual que el martillo hidráulico, las partes esenciales de este martillo son el pistón y

distribuidor. Mediante la regulación de aire a cada lado del pistón, se obtiene el movimiento de vaivén.

(Fig. 3.8 a 3.14)

El pistón del martillo se

muestra en la posición final de su

recorrido y está listo para moverse

hacia delante. La línea de presión de

aire llana la cámara trasera (1) y pasa a

través de la válvula de suministro (2) Fig. 3.8.- Pistón del martillo en el final de su recorrido hacia

atras dentro de la camisa (3). El aire empuja al pistón hacia delante. La cámara frontal de la camisa se

encuentra a presión atmosférica por el alivio de la apertura de la válvula de salida (6).

El pistón (4) se mueve hacia

delante empujado por la presión del aire

hasta que el anillo de la base del pistón

(7) cierra la válvula de entrada. El aire

en la parte trasera de la camisa (3) se Fig. 3.9.- Pistón del martillo se mueve hacia adelante expande y continúa empujando al pistón. El ala del pistón (4) cierra la válvula de salida (6).

El aire de la cámara posterior

continúa expandiéndose hasta que el

ala del pistón descubre la válvula de

salida (6). El anillo de la base del

pistón (7) cierra la válvula de entrada,

dejando un resto de aire en la cámara

anterior.

Fig. 3.10.- Pistón del martillo libera la válvula de salida



Al moverse hacia delante, se

comprime el aire atrapado en la cámara

frontal (5), el cual empuja el pistón hacia

atrás. El ala del pistón (8) libera la válvula

de salida (6) y el aire en la cámara

posterior es expulsado. Fig. 3.11.- Pistón del martillo comprime el aire en el frente

Mientras el aire es liberado, el anillo de la base del pistón (10) abre la válvula de entrada del

frente, dando entrada al aire comprimido a la cámara frontal (5) empujando el pistón hacia atrás.

El pistón se mueve

aceleradamente hacia atrás hasta que el

anillo de la base (10) cierra la válvula de

entrada frontal. El aire en la cámara

frontal se expande y continúa empujando

al pistón. Fig. 3.12.- Pistón del martillo se mueve hacia atras

El pistón continúa su

movimiento hacia atrás, empujado por el

aire en expansión de la cámara anterior

de la camisa (5) hasta que el ala del

pistón (11) libera la válvula de salida. Fig. 3.13.- El ala del pistón libera la válvula de salida

El aire en la cámara posterior queda atrapado (3) y es comprimido por el movimiento del pistón.

El anillo del pistón (7) abre la válvula de entrada.

Al retornar el pistón hacia atrás,

el aire que ha quedado comprimido en la

cámara posterior empuja al mismo hacia

delante junto con la apertura de la válvula

de ingreso de aire comprimido,

repitiéndose el proceso. Fig. 3.13.- Pistón del martillo en el final del recorrido hacia

atrás

3.3. COMPARACIÓN ENTRE LOS SISTEMAS DE PERFORACIÓN HIDRÁULICO Y NEUMÁTICO.

Dos grupos de factores influencian la elección de uno u otro tipo de perforadora, los factores tecnológicos por una

parte y los económicos – ergonómicos por la otra. Los parámetros de cada trabajo tales como: dimensiones, período

de ejecución, situación geográfica, geología y disponibilidad de mano de obra abundante y barata, serán las que

definan la elección de uno u otro sistema. Las ventajas más inmediatas que proporciona la perforación hidráulica son:

- Rendimiento de la perforación mucho más elevado (50 a 100% mas) - Menores niveles de ruido (10 a 15 dB menos) - Menor consumo de energía (30% menos)

Por otra parte, las perforadoras neumáticas ofrecen sus ventajas tradicionales de robustez, sencillez, fáciles

rutinas de mantenimiento y menor inversión.



• Elección del sistema de perforación.

Entre los principales factores a considerar en el momento de seleccionar el sistema de perforación mas

apropiado, encontramos la producción por turno de trabajo y sus costos. La selección entre el sistema

hidráulico y el neumático es mucho más que la comparación entre los consumos de combustible y su

rendimiento, es una selección entre dos diferentes sistemas. La selección debe estar basada en la

productividad, economía, ergonomía y automatización.

En las operaciones donde el factor tiempo es uno de los aspectos más importantes a considerar, la

necesidad de terminar los trabajos en una fecha prevista, es un factor decisivo en la selección del equipo y es

donde las perforadoras hidráulicas tienen evidentes ventajas. Cuando el factor tiempo no es tan importante y

el proyecto es pequeño, es difícil justificar la alta inversión que los equipos hidráulicos requieren. En tales

casos, la alternativa neumática será el sistema adecuado.

• Productividad.

Si el factor predominante a considerar es la velocidad de penetración, la selección de un equipo

hidráulico es obvia, debido a que es posible obtener un incremento neto en la productividad por encima del

100%. La rata de penetración es sólo uno de los factores involucrados en la productividad. El sistema de

perforación debe ser eficiente y rápido en las funciones distintas a perforar, tales como maniobrabilidad entre

hueco y hueco, así como la reducción al mínimo del tiempo empleado en su posicionamiento.

De gran importancia es la confiabilidad del equipo, para evitar que no puedan aprovecharse las ventajas

que ofrecen las altas velocidades de penetración y el mínimo tiempo de pérdida por en las funciones distintas

a perforar, debido a que el mismo pasa largos períodos de tiempo en el taller. La experiencia en muchas

partes del mundo han demostrado que los equipos de perforación hidráulicos son los de mayor confiabilidad.

• Economía.

Con la perforación hidráulica es posible combinar velocidad de penetración y bajos costos. Producir

potencia hidráulica es mucho más simple y eficiente que producir aire comprimido, por lo que el tamaño del

equipo y los requerimientos de combustible se reducen. Los costos de energía por metro perforado son más

bajos, en un tercio (aproximadamente), que los causados por la perforación neumática. Por otro lado, los

costos en las herramientas también se reducen, debido a que en la perforación hidráulica las ondas de

choque que se transmiten a ellas, se mantienen en niveles aceptables de esfuerzos, que disminuyen la fatiga

de los materiales y alargan su vida útil.

Respecto a los costos de labor, la alta eficiencia en el sistema de perforación hidráulica se traduce en

una reducción de la fuerza laboral. El costo de la inversión y mantenimiento de equipos de perforación

hidráulica es mas elevado que el neumático, la manera en que pueden obtenerse costos mucho mas bajos

por metro de roca perforada en la perforación hidráulica, respecto a la neumática, es con la utilización máxima

del tiempo de disponibilidad de los equipos.

• Ergonomía y mecanización.

Donde más se pone de manifiesto el predominio de la perforación hidráulica es en la consideración del

medio ambiente de trabajo: bajos niveles de ruido, alta visibilidad en el área de trabajo, aire exento de nubes

de aceite, operaciones mecanizadas frente a operaciones manuales. La perforación neumática moderna



cumple con la mayoría de los requerimientos exigidos, pero las condiciones ambiéntales, que cada día han de

cuidarse mas, originan muchas dificultades técnicas que limitan su desarrollo.

En todos los equipos hidráulicos de perforación la mecanización y automatización son relativamente

fáciles, reduciendo la fatiga del operador y aumentando su rendimiento. Como ya se ha obtenido un

incremento significativo en las velocidades de penetración, se han mejorado los equipos con la

implementación de sistemas hidráulicos para el manejo de las herramientas de perforación desde la cabina

del operador. Los niveles de ruido son mucho menores que el sistema neumático.

• Servicio.

Los equipos hidráulicos tienen mayor complejidad y un mantenimiento de las partes mucho más

cuidadoso que los equipos neumáticos, aunque la única diferencia entre los dos lo constituye el martillo

debido a que los demás integrantes del equipo son similares..

El diseño básico de un martillo hidráulico no difiere significativamente de uno neumático. La gran

diferencia la constituye el cambio regular de los sellos y los filtros de manera de garantizar permanentemente

el aceite libre de polvo y cualquier otro elemento indeseable, auque la vida de un sello hidráulico es mucho

mayor que la de las bocinas de un martillo neumático.

3.4. EQUIPOS DE PERFORACIÓN PARA CANTERAS, MINAS A CIELO ABIERTO Y CONSTRUCCIÓN.

Los equipos de perforación con martillo en cabeza han sido utilizados alrededor de todo el mundo en trabajos de

construcción, canteras y minería a cielo abierto, para perforar rocas desde las mas blandas hasta las mas duras en un

rango de 22 a 127 mm de diámetro (7/8” a 5”). Estos equipos pueden clasificarse en:

Perforadoras manuales (plogas) Carros perforadores sobre cauchos (wagon drills) Vagones perforadores sobre orugas (crawler drills)

• Perforadoras manuales (plogas).

Las perforadoras manuales (Fig. 3.15), son

herramientas diseñadas para realizar trabajos de perforación de

huecos de pequeño diámetro.

Las perforadoras manuales utilizan barrenos integrales

desde 400 hasta 6000 mm de longitud. La rotación de la barra es

del tipo de rotación dependiente, donde la culata es diseñada con

una serie de estrías helicoidales que corren sobre las guías de un

acople instalado en el frente del martillo, la cual, al ser movida en

forma de vaivén por el golpeteo del pistón, proporciona el giro.

Este tipo de herramienta se utiliza sólo cuando el uso de equipos

grandes de perforación es impráctico o antieconómico.

Las perforadoras manuales, tradicionalmente, han sido diseñadas con sistemas neumáticos,

suministrándole la potencia a través de un compresor portátil de aire comprimido.

Fig. 3.15.- Perforadora manua



El golpeteo y el soplado son controlados por mandos colocados en los mangos del martillo; cuando se

acciona el aire para el soplado del hueco, se detiene el golpeteo y el flujo completo de aire pasa directamente

a la broca. Un típico martillo neumático manual, medianamente pesado tiene las siguientes características:

▪ Diámetro del pistón 70 mm ▪ Largo del martillo 572 mm

▪ Recorrido del pistón 50,80 mm ▪ Peso del martillo 23 kg

▪ Frecuencia de impacto 43 Hz ▪ Consumo de aire a 6 bar 3,50 m3/min

En forma general, la herramienta de corte se adecua para las siguientes condiciones:

▪ Pequeños huecos (22 a 51 mm) ▪ Voladura de rocas sueltas ▪ Bancos bajos (huecos hasta 6 mt) ▪ Espacios pequeños ▪ Repiés e irregularidades en la rasante ▪ Áreas de muy difícil acceso

(1). Azas(con mango articulado)

(2). Llave de regulación del paso de aire

(3). Cuerpo del martillo

(4). Conexión para alimentación de aire

(5). Abrazadera de agarre del barreno de perforación

Fig. 3.16.- Partes de una Perforadora manual

Estos equipos presentan características de trabajo con alto s niveles de exigencia de:

▪ Consumo de Aire (51 – 70) PCM) / (24 – 33) lt/s

▪ Presión de Trabajo: (100 – 137)PSI

▪ Peso del Equipo: (12 – 20)Kg – (28,5 – 47,5) Lb

▪ Capacidad Máxima de Perforación: (3 – 9)m

▪ Encaje de la Herramienta de Corte: 7/8”

▪ Sistema de Barrido: Aire

• Carros perforadores sobre cauchos (wagon drills). Los carros perforadores con martillo en cabeza (Fig. 3.17), son diseñados para perforar en un rango de

27 a 64 mm de diámetro (1 1/16” a 2 ½”) en pequeños trabajos de construcción o pequeñas canteras. La

potencia de ellos es generada por un compresor portátil de aire comprimido, remolcable dentro del sitio de

trabajo.

El chasis del carro es diseñado con vigas de acero en forma de “U” con dos ruedas fijas acopladas a un

eje en la parte posterior y una rueda con pivote en la parte central frontal acoplada a un manubrio para su

maniobrabilidad durante el traslado. La torre es posicionada manualmente por el operador y al estar

posicionada encima del sitio a perforar, es fijada y nivelada al terreno con unos piés mecánicos.



Los carros perforadores son utilizados en pequeñas

operaciones donde una alta inversión en equipos no es

justificable. Los carros perforadores pueden, alternativamente,

ser utilizados para montar sistemas de perforación con martillo

de fondo.

Los datos generales de estas perforadoras

neumáticas se resumen en:

• Motor de Avance de 6cc e alto torque y Reductor

planetario con capacidad de 7Hp posibilitando mayor

velocidad en la recogida de los barrenos. A tracción con

cadena ASA 100;

• Bomba Hidráulica de engranaje, facilitando el mantenimiento. Motor neumático de palletas para

funcionamiento de la bomba hidráulica;

• Motor de Tracción con 5cc, con alto torque posibilitando mejor performance en inclinaciones (11,5hp / 8

kw) para trabajar sobre orugas. Accionamiento neumático;

• Freno a disco (garantiza un frenado mas seguro en las mas variadas situaciones). Accionamiento

automático del freno en caso de parada del equipo por falta de suministro de aire comprimido;

• Rodillos de oruga lubrificados con aceite, evitando el mantenimiento;

• Guía de orugas, imposibilitando o descarrilamiento de las mismas durante el traslado;

• Mangueras neumáticas de alta presión y prenzadas, evitando fugas y aumentando la durabilidad de las

mismas.

Los datos técnicos relevantes a las prestaciones de trabajo de estos equipos suelen ser de:

▪ Consumo de Aire: (750 – 900) PCM) / (350– 420) lt/s

▪ Presión de Trabajo: (100 – 150) PSI – (7 – 10,5)Bar

▪ Modelos de Martillos Disponible: VL120, 140, 160


Fig. 3.18.-Prestaciones de trabajo de una Perforadora Neumática

• Vagones perforadores sobre orugas (crawler drills).

Las perforadoras sobre orugas constituyen los tipos de equipos más populares en las labores de

perforación en obras públicas, minería y explotación de canteras, donde la mecanización es un importante

factor para el incremento de la productividad, siendo indicado tanto para la producción a cielo abierto como

Fig. 3.17.- Carro perforador



bajo tierra. Sin embargo, existen numerosos campos de aplicación debido a su notable facultad para

desplazarse en cualquier terreno, tales como:

- Perforación para la inyección de concreto en taludes - Colocación de anclajes. - Destape de pozos de agua. - Prospección. - Colocación de tuberías

Un típico equipo perforador sobre orugas (Fig. 3.19), está constituido por los siguientes elementos: Martillo (1): Este es el componente

principal del sistema, quien ha sido ya

descrito anteriormente. En este tipo de

equipos de perforación, se puede utilizar,

indistintamente, martillos neumáticos o

hidráulicos, dependiendo de la selección

del sistema de perforación para la labor

proyectada.

Torre con cadena de empuje (2):

Estructura metálica de gran robustez

compuesta por dos vigas carrileras que

sirve de deslizadera a una base móvil

donde se asienta el martillo. En la parte

central (entre las dos vigas) corre una

cadena acoplada a un motor hidráulico de

Fig. 3.19.-Componentes Principales de un Wagon Perforador

de Orugas con Compresor Incorporado

tracción y sujeta a la base del martillo que suministra la fuerza de empuje necesaria para la perforación. En

el tope de la torre se cuenta con un tensor para evitar aflojamiento de la cadena. Esta estructura es común

para la utilización de sistemas neumáticos o hidráulicos de perforación.

Guía de barras (3): Conjunto de mandíbulas para mantener los barrenos alineados verticalmente con

apertura o cierre automático o manual durante el retiro o inserción de barras. En algunos equipos se

ofrece un sistema mecanizado para el cambio automático de barras, evitando la manipulación de las

mismas por parte del operador.

Panel de controles (4): Juego de palancas de control de las válvulas de aire para la operación de la

perforadora y el motor de avance.

Brazo (5): Estructura metálica de gran robustez, articulada, que soporta la torre y la ensambla al vagón.

Mediante mecanismos de control y cilindros hidráulicos le proporcionan a la misma gran movilidad y

versatilidad, permitiéndole efectuar giros horizontales, verticales y laterales para la perforación en

diferentes ángulos de inclinación. En el mercado se ofrecen algunos modelos con brazos extensibles

de forma telescópica, con el fin de poder tener mayor radio de acción en sitios donde el desplazamiento

del vagón es muy difícil e inseguro.

Colector de polvo (6): Sistema de captación del polvo generado durante la perforación. Posee

internamente un sistema de filtros y separadores granulométricos que, en la mayoría de los casos,

retiene el 90% del polvo generado. Este sistema es opcional a la compra del equipo básico y, en la



actualidad, muchos fabricantes lo están ofreciendo como elemento estándar por motivo de las

adecuaciones ambientales a escala mundial.

Sistema de tracción (7): Está constituido por un par de orugas de gran agarre con sistema de

suspensión independiente, que hace que el centro de gravedad del equipo se mantenga directamente

encima del eje de oscilación de las orugas, permitiendo que el peso de la máquina se distribuya

uniformemente sobre toda la superficie de apoyo de las orugas, con el consiguiente resultado de una

estabilidad máxima tanto longitudinal como lateralmente durante las operaciones en terrenos

accidentados y/o irregulares.

Compresor (8): Equipo que suministra el aire comprimido para el funcionamiento del sistema. En las

perforadoras hidráulicas, generalmente, el compresor está integrado al vagón. En el caso de los

sistemas de perforación neumáticos, el compresor es independiente del vagón, el cual tiene un gancho

con pivote para poder arrastrarlo cuando se moviliza el equipo; en condiciones de operación, el

compresor se sitúa en un lugar cercano a las operaciones y el vagón se mueve de manera

independiente, teniéndose conectados, ambos, con mangueras.

Adicionalmente, los fabricantes presentan como optativos a la compra, adicionales como:

- Revólver y estantillo para el almacenamiento de barras y cambio automático de las mismas. - Silla adherida al área del tren de mando para ser utilizado por el operador en las labores de

traslado de equipos a grandes distancias. - Cabina cerrada y presurizada con acondicionamiento de aire, para el operador en aquellas

áreas donde existen serios problemas ambientales (frío o calor extremos). (Ver Fig. 1.10 del

Cap.1)

Los datos técnicos relevantes a las prestaciones de trabajo de estos equipos suelen ser de:

▪ Consumo de Aire: (900 – 1100) PCM) / (420– 513) lt/s

▪ Presión de Trabajo: (100 – 150) PSI – (7 – 10,5)Bar

▪ Modelos de Martillos Disponible: VL120, 140, 160


▪ Tipo de Barrenas: T45

▪ Diámetro de Perforación: 2 ½ a 5 in

▪ Fuerza de Avance: 20 kN (4500 lff)

▪ Profundidad Máxima de Avancee: 28m (92 ft) Fig. 3.20.-Prestaciones de trabajo de una Perforadora Hidráulica

Los datos generales de estas perforadoras neumáticas se resumen en:

• Seguridad Operacional, el operador trabaja adentro de la cabina, sin riesgo alguno de accidentes al

manipular los barrenos;

• Facilidad Operacional, con todos los mandos adentro de la cabina, no es necesario tener un operador

auxiliar;



• Cabina protegida y equipada con aire condicionado;

• Sistema de engrasamiento automático de barrenos, no es necesario operador auxiliar;

• Avance, equipado con nuevo y revolucionario sistema de reducción planetaria, con mas gaño de fuerza

y velocidad;

• Equipo proyectado y desarrollado con el propósito de ser fácilmente operado, y fácil mantenimiento;

• Cambiador de Barreno automático, adentro de la cabina el operador controla el cambio de barrenos,

con capacidad de 5 + 1 barreno T-38MF;

• Motor de Tracción de 5 cilindros, con alto torque lo que resulta en mejor productividad en inclinaciones;

(11,5HP / 8,5KW) para efectuar el desplazamiento del equipo por oruga. Accionamiento neumático;

• Engrasador de barrenos automático, haciendo el engrase en su proporción ideal, solamente accionando

un botón;

• Orugas con zapatas em acero especial;

• Rodillos autolubricables con aceite (sin mantenimiento);

• Lubricación y tensor de oruga, a través de bomba de grasa, con válvula de retención;

• Chasis hecho en acero estructural proyectado para servicios pesados, con dos cilindros de

compensación, para terrenos irregulares (sin riesgo de envergar la estructura del equipo);

• Caja de reducción de transmisión con 3 engranajes, y no dos, teniendo mas torque para ascender y

descender;

• Freno a disco con sistema mas confiable en las diversas situaciones; Accionamiento automático, al

parar el equipo o sin aire comprimido (seguridad);

• Motor de Avance: 6 cilindros, Fuerza de 7 HP;

• Cadena de avance: ASA 100.

• Centralizador Hidráulico, de fácil manejo, que consiste en dos bujes temperados, de alta durabilidad:

• Bomba hidráulica: (engranaje) , de fácil mantenimiento:

• Horometro, para controlar con precisión la cantidad de horas trabajadas del martillo (perforadora),

opcional;

• Chasis completo hecho en acero reforzado, con mas estabilidad en terrenos accidentados;

• Panel de controle neumático con válvulas direccionales, independientes y válvula reguladora de presión

de avance, teniendo mas controle al perforar, así como manómetro indicador de presión;

• 4 Válvulas de operación en perforación, siendo: ( percusión, avance, rotación y barrido ):

• Colector de polvo o Barrido con Agua.

3.5. EQUIPOS DE PERFORACIÓN PARA TRABAJOS SUBTERRÁNEOS

La profundidad de los barrenos y el avance por ciclo de perforación representa una de las principales variables

para controlar que el avance o profundización sea óptimo. El avance máximo por ciclo de perforación es controlado

por la coordinación de las operaciones de perforación, extracción de mineral y ciclo de sostenimiento. En el capitulo

relacionado a las Voladuras Subterráneas (Underground), se presentan con mayores detalles estos equipos.

Existen básicamente dos formas de avance en la profundización de pozos: avance por bancos y

avance global. La selección entre el método de bancos o global depende de las condiciones del terreno, caudal

de agua y forma de extracción del mineral. Los equipos de perforación más utilizados son:



Perforadoras manuales (plogas) Perforadoras de producción Jumbos para la perforación mecanizada de galerías

• Perforadoras manuales.

Las perforadoras manuales (Fig. 3.21), se utilizan en pequeñas y grandes operaciones de minería

debido a las ventajas que ofrecen su versatilidad y poco peso, lo que la hace fácilmente transportable por el

operador. El uso de este equipo de perforación se ha generalizado en minas subterráneas y esta compuesto

básicamente por:

- Una empuñadura con sus respectivos acoplamientos para controlar el flujo de aire y agua. - Un cuerpo central, constituido por la camisa, el cilindro y el pistón con su dispositivo de giro de

la barra. - Un porta barreno donde se acoplan las barras.

Fig. 3.21.-Perforadora Manual Liviana y Mediana con Empujador

De acuerdo a su peso los martillos perforadores se dividen en:

- Martillos perforadores livianos, con un peso menor de 18 kg. - Martillos perforadores medianos, con un peso comprendido 18 y 27 kg. - Martillos perforadores pesados, con un peso mayor de 27 kg.

Los martillos perforadores medianos y pesados (Fig. 3.19) se utilizan apoyados en soportes y ayudados

por empujadores, logrando fuerzas de empuje de 200 kp y más. El rendimiento del martillo es variable y

depende de los siguientes factores:

- Tipo de roca

- Condiciones de la barra.

- Experiencia del operador.

- Tipo de martillo y accesorios.

Las barras generalmente utilizadas por los martillos perforadores manuales son del tipo integral, de

forma hexagonal hechas de un acero especial. Tiene un orificio central para la inyección de agua y terminan

en una broca cortante de carburo de tungsteno. Los diámetros comunes son: 19 - 22 - 28 - 32 - 38 - 50 mm.

• Perforadoras de producción.

Los equipos de producción se diseñan para satisfacer los requerimientos específicos de cualquiera de

los métodos de explotación que pueden aplicarse dentro de la minería: perforación de barrenos largos,

realce por subniveles, socavación por cámaras verticales, socavación ascendente, etc. Tales diseños

varían de un método a otro.



En forma general, el tipo de equipos utilizados varía de acuerdo a las dimensiones del área de

excavación, pudiendo utilizarse perforadoras manuales con o sin empujador en secciones pequeñas,

equipos mecanizados de rotopercusión, similares a los utilizados en minería a cielo abierto, con uno o dos

brazos para secciones medianas y jumbos de perforación para secciones grandes. (Fig. 3.22)

Fig. 3.22.-Equipos de Perforación para secciones Medianas

• Jumbos para la perforación mecanizada de galerías.

Los jumbos de perforación son diseñados básicamente para ser utilizados en la perforación de galerías

o túneles. La estructura esta compuesta de una plataforma montada sobre oruga o neumáticos, sobre la

plataforma se ubican varios brazos impulsores, en los cuales se acoplan las perforadoras. En la actualidad

los jumbos tiene integrados todas las fuentes de servicio, tales como compresores, empujadores, etc.

El equipo esta concebido

para trabajar prácticamente en

cualquier sección, no obstante tiene

una gran utilidad para trabajos en

minas y galerías de secciones entre 7

y 15 m² y se caracterizan por la

buena maniobrabilidad, rapidez en su

desplazamiento e instalación, de

tamaño peso adecuado para bajarlo a

través del pozo principal de la mina.

(Fig.- 3.23). Los jumbos para la

perforación mecanizada de galerías

se fabrican en muchos modelos con

el objeto de ceñirse a las diferentes Fig. 3.23.- Jumbo para Perforación de Galerías necesidades que se dan en las explotaciones mineras con sus distintas particularidades.

Existen máquinas sobre vías para galerías que utilizan este sistema de desplazamiento. Otros modelos

incorporan orugas o neumáticos. Los jumbos de perforación sobre neumáticos, accionados por un motor

diesel constituyen, hoy, los equipos mas utilizados.



3.6. HERRAMIENTAS DE PERFORACIÓN.

El rápido desarrollo de la perforación con martillo en cabeza ha ido incrementando continuamente la eficiencia en

la perforación, afectando de manera positiva los costos en las operaciones. La clave en este desarrollo lo ha

constituido, sin lugar a dudas, la alta calidad de las herramientas de perforación, las cuales deben ser:

- Capaces de transmitir toda la energía cinética de manera apropiada a la roca. - Resistentes al desgaste y deformación. - Fáciles y seguras en su manipulación. - Económicas. - De fácil y rápida consecución.

Los planificadores de operaciones de perforación pueden encontrar, actualmente, una gama de posibilidades de

combinaciones cuando realizan la selección de los aceros para la perforación, considerando dimensiones, tipo de

acero y tratamiento térmico.

• Tipo de roscas.

La función del roscado es la de unir conjuntamente adaptador, acopladores, barras y broca de manera

firme durante el proceso de perforación. El apretado no debe ser excesivo de manera de poder ser aflojado

con facilidad al retirar cualquiera de los componentes ensamblados. El apriete de las uniones depende de

factores tales como: energía del impacto, rotación y resistencia de la rosca. El empuje debe ser el adecuado,

debido a que de ser insuficiente, un parte de la energía es reflejada a lo largo del varillaje, aflojando las

uniones. Por otro lado, y debido a que la energía de impactos es desaprovechada en forma de calor, puede

ocurrir que las roscas lleguen a soldarse o cambiar los constituyentes de estructura del acero, haciéndolo

frágil.

Las características de desconexión de una rosca están en función del paso y ángulo del perfil. Un paso

amplio en combinación con un ángulo de perfil pequeño proporciona un roscado de fácil desconexión. La vida

de las rosca depende de la resistencia y volumen de desgaste. La resistencia de la rosca se obtiene

proporcionándole a la rosca una capa dura y superficial mediante un proceso de cementación o temple.

Existen cuatro tipos principales de rosca utilizadas en las herramientas de perforación:

Rosca Tipo R

Rosca Tipo T

Rosca Tipo C

Rosca Tipo GD

Rosca tipo R: La rosca tipo R es empleada en las operaciones de perforación de pequeños diámetros,

donde se utilizan barras de 22 a 38 mm de diámetro. Esta rosca tiene un paso constante de ½”. Con la

utilización de perforadoras de gran potencia, esta rosca tiende a apretarse excesivamente, por lo que se

recomienda el uso de las roscas tipo T.

Fig. 3.24.- Rosca tipo R



Rosca tipo T: También llamada rosca trapezoidal, FI o K, tiene un paso grande, que se incrementa en la

medida que aumenta el diámetro de la barra, y un ángulo de perfil más pequeño que el de la rosca R. Es

una rosca totalmente cilíndrica que ofrece características de apriete y desconexión muy equilibradas. Para

la mayoría de los trabajos de perforación de bancos. Este tipo de rosca es ampliamente utilizada en

barras de diámetro entre 38 y 45 mm de diámetro.

Fig. 3.25.- Rosca tipo T

Rosca tipo C: Este tipo de rosca es diseñado para barras pesadas, con diámetros de 51 a 57 mm, tiene

un paso grande (dos entradas) y el mismo ángulo de perfil que la rosca T. Las características de

desconexión son muy favorables.

Fig. 3.26.- Rosca tipo C

Rosca tipo GT: Roscas de perfil asimétrico con características de desconexión intermedias entre las

roscas R y T. Se utilizan para un rango de diámetros de barras de 60, 64, 76, 87 mm.

Fig. 3.26.- Rosca tipo GT

• Barras de perforación (barrenas, barrenos).

Los tres principales tipos de barras para utilizarse en la perforación con martillo en cabeza son:

- Barras integrales - Barras de extensión. - Tubos

En la tabla 3.2 se muestran los rangos de utilización de cada una de ellas

Tipo de acero Tipo de sección Diámetro del acero (mm) Diámetro del hueco (mm)

Barras integrales Hexagonal 19, 22, 25 22 a 45

Barras de extensión Hexagonal o redonda 25, 28, 32, 38, 45, 51 38 a 127

Tubos Redonda 76, 87, 100, 127, 152, 165

Tabla 3.2.- Rangos de utilización de los aceros para martillo en cabeza



Barras Integrales: Las barras integrales son utilizadas en la perforación de bancos bajos y

diámetros de 22 a 41 mm, con perforadoras manuales o vagones de perforación livianos. Las

barras integrales tienen una culata de acero forjado en uno de sus extremos y una broca, también

de acero forjado, de plaquitas o insertos de carburo de tungsteno, en el otro. En la figura 3.26 se

muestran a los diferentes componentes de una barra integral:

Cada barra tiene una longitud determinada que no puede variarse. Cuando la primera barra

ha perforado la roca, en toda su longitud, se retira y se sustituye por otra mas larga. La

perforación, consecuentemente, se realiza por etapas, reduciéndose en cada una de ellas el

diámetro del inserto, al objeto de evitar atascamientos dentro del barreno.

Las barras integrales se agrupan en serie, en las cuales el diámetro disminuye a medida que

aumenta su longitud. El diámetro final más pequeño, es en función del tamaño de los cartuchos

de explosivo.

A cuerpo B Broca

B1 Anchura de la broca

B2 Anchura del inserto B3 Anchura del filo de corte C Collarín D Diámetro de la broca E Culata F Marca del fabricante G Fecha de fabricación H Altura del inserto K Capuchón plástico de protección L Longitud Efectiva T Orificio de barrido α Ángulo de conicidad normal β Ángulo de incidencia

Fig. 3.28.-Barra integral para martillos manuales

Los tipos principales de barras integrales que se encuentran en el mercado son:

∗ Barras tipo cincel: Son las de mayor utilización, su

afilado es sencillo y en condiciones normales dan

un buen rendimiento de perforación. Se utilizan en

la perforación de rocas medianamente duras a

duras. (Fig. 3.29).

Fig. 3.29.-Barra Tipo Cincel

∗ Barras de inserto múltiple: La forma de la broca

que tienen estas barras reduce el riesgo de

atascamiento, utilizándose en la perforación

mecanizada de rocas blandas y fisuradas,

asegurándose así una perforación exenta de



dificultades. (Fig. 3.30) Fig. 3.30.-Barra de inserto múltiple

∗ Barras con broca de botones: Se utilizan en la

perforación de rocas escasamente abrasivas y de

fácil penetración. (Fig. 3.31)

Fig. 3.31.-Barra con broca de botones

Barras de Extensión (barra roscable): Son las más comunes utilizadas en la perforación en

bancos de hasta 35 metros de altura con huecos de 38 a 127 mm de diámetro, son

suministradas de manera regular en forma de barra de acero carburizado de sección

hexagonal, roscada en los dos extremos y en longitudes de 10’, 12’ y 14’ (3 m, 3,66 m y 4,27

m)

El conjunto o varillaje de trabajo con las barras de extensión está constituido por cuatro

componentes básicos:

Adaptador de culata. Manguitos (acopladores). Barra de extensión o roscable. Broca.

Uniendo las barras roscadas puede formarse un tren de varillaje para perforar huecos de

mayor profundidad que la longitud de una sola barra, uniéndose las mismas con los manguitos de

acoplamiento. Cuando la profundidad de los huecos permite la utilización de una sola barra, es

preferible utilizar las barras de extensión en lugar de las integrales debido a que las brocas son

mas fáciles de transportar hasta las estaciones de afilado y en segundo lugar pueden necesitarse

diámetros mayores que los que ofrecen las barras integrales. Por otra parte, las barras de

extensión permiten intercambiar de manera independiente los adaptadores de culata, barras,

manguitos y brocas.

∗ Tubos: Los trabajos de desarrollo sobre la utilización de tubos en la perforación con martillo en

cabeza comenzaron en 1980, pretendiendo combinar las ventajas de las perforadoras hidráulicas,

obteniéndose un gran rendimiento y una alta calidad de la perforación. Actualmente el uso de

tuberías en la perforación está siendo introducido en el mercado como una forma de aplicación de

mayor rendimiento en la perforación con martillo en cabeza hidráulico.

La utilización de tubos en la perforación reduce los costos en la perforación de bancos al facilitar

alta eficiencia en la perforación de huecos derechos, reduciendo el consumo de explosivos y

minimizando los problemas en las voladuras de huecos profundos. A continuación

proporcionamos algunas de las características de la perforación con tuberías:

Características de barrido: La utilización de tubos en la perforación con martillo en cabeza

combina alto rendimiento y eficiencia en el barrido, proporcionando un alto volumen de aire en el

fondo del hueco, además de facilitar el incremento de la velocidad de desalojo por la reducción del

espacio entre el tubo y el hueco, debido al mayor diámetro del tubo.



Rosca L(ft) D(in) Tipo R32 10

12

1 ¼ Round

T35 10

12

14

1 ½ Round

T38 10

12

14

1 ½ R/R/H

R/R

R

T45 10

12

14

20

1 ¾ R/R

R/R

R/R

R

T51 12

14

20

2 R/R

R/R

R/R

Fig. 3.32.-Diferentes tipos de barras y tubos de extensión o roscables

Transmisión de la energía: Debido a que los tubos tienen una sección transversal mayor que

las barras, son mas fuertes y resistentes, pudiendo aprovecharse al máximo la energía

suministrada por el martillo. Los tubos se suministran con conexiones macho y hembra en los

extremos, por lo que no necesitan el uso de manguitos.

Estabilidad del hueco: La perforación con tubos proporciona una mayor estabilidad al hueco y

dificulta las posibilidades de derrumbe debido a que por su diámetro mayor que las barras está

mas cerca de las paredes; la no utilización de los manguitos proporciona mayor confianza al

minimizar los tropiezos de los mismos con las paredes del hueco, debido a su diámetro mayor que

las barras.

∗ Acopladores (manguitos de acoplamiento): Los manguitos de acoplamiento son utilizados para

conectar las barras de extensión, unas a otras, lo suficientemente firmes, que permita la máxima

transmisión de energía a través de los empates. Se fabrican de acuerdo al tipo de rosca del

sistema (R32, T35, T38, T45 y T51)

Fig. 3.33.- Manguitos de acoplamiento entre barras

∗ Adaptadores de culata: El adaptador de culata va acoplado a un mandril dentro del martillo y

conectado a la primera barra del varillaje por un manguito. Es el encargado de transmitir la

energía de impacto y rotación desde la perforadora al varillaje. La superficie de impacto, estrías y

rosca deben ser muy resistente al desgaste, por lo que se le somete a un proceso de

carburización que aporta esa dureza.



Fig. 3.33.- Adaptadores de Culata (shank), izquierda: Sandvik; ,derecha Atlas Copco

La configuración de la culata depende de la forma del buje de la perforadora.

∗ Brocas: En la perforación con martillo en cabeza, la roca es sometida a altas presiones

mediante el contacto con la broca. La broca es el componente del varillaje que realiza el

trabajo de trituración de la roca. Las zonas de la broca que entran en contacto con la roca

son de carburo cementado e incorporan botones o plaquitas (insertos). La broca va roscada a

la barra de extensión hasta el fondo de su rosca; de esta forma la energía de impacto se

transmite entre el extremo de la barra y el fondo de la rosca de la broca.

Fig. 3.34.- Brocas de Perforación a percusión con martillo en cabeza

El fluido de circulación se suministra a través de un orificio practicado en la barra y se

distribuye a través de los orificios de barrido situados en el centro y a los lados de la parte

frontal de la broca. El frente de la broca tiene una serie de ranuras que permite el desalojo del

detritus.



Nomenclatura:

B Longitud del inserto K Dado central B1 Anchura del flanco L Longitud del faldón B2 Anchura del inserto M Botones periféricos B3 Anchura del filo de corte N Botones centrales d diámetro del faldón S Ranuras para evacuación de

detritus D Diámetro de la broca T Orificio lateral de barrido F Marca del fabricante V Orificio central de barrido G Tipo de rosca, dimensión, fecha

fabricación α Ángulo de conicidad (holgura)

H Altura del inserto β Ángulo de incidencia

Brocas de plaquitas: Las brocas de plaquitas se fabrican en dos tipos:

Brocas en cruz: Consisten en cuatro insertos de carburo de tungsteno, definiendo entre ellos

un ángulo de 90°. Este tipo de brocas se utiliza, generalmente, en diámetros de 35 a 57 mm.

Fig. 3.35.- Brocas de plaquitas

Brocas en X: Consisten en cuatro insertos de carburo de tungsteno, definiendo entre ellos un

ángulos de 75° y 105° respectivamente. Este tipo de brocas se utiliza, generalmente, en

diámetros de 64 a 127 mm. Este tipo de brocas se utiliza para diámetros grandes de

perforación, debido a que proporcionan un mayor rendimiento y velocidad de penetración que

las brocas en cruz

Brocas de botones: Contienen mayor cantidad de carburo cementado resistente al desgaste

que las de plaquitas, el frente es plano y contiene una serie de insertos cilíndricos, con el tope

redondeado, de carburo de tungsteno, colocados de acuerdo a ciertos patrones predefinidos y

fijados a la matriz de acero por contracción o presión en frío. Este tipo de brocas es común

en la perforación de huecos entre 51 y 251 mm.

Estas brocas a su vez se dividen de acuerdo al tipo de operación de mina donde aplican, bien

sea en obras a Cielo Abierto (O.C.A) o en Obras Subterráneas (O.S)

Para su aplicación en O.S. se dividen a su vez de acuerdo al tipo de rosca del equipo

(Jumbo), que se esté utilizando en la obra.

Brocas para galerías y túneles pequeños:



Brocas para Obras a Cielo Abierto:

Fig. 3.36.- Broca de Botones para aplicaciones en Obras Subterráneas y a Celo Abierto.



CAPITULO IV

4. PERFORACIÓN CON MARTILLO DE FONDO.

4.1. RESEÑA HISTÓRICA.

La perforación con martillo de fondo o DTH (Down The Hole), utiliza el aire comprimido de manera más

eficiente que los martillos en cabeza neumáticos convencionales. El martillo de fondo forma un conjunto con la

broca, ensamblada directamente a él en el fondo del hueco, siguiéndola en su penetración en la roca, conectado,

el conjunto, al equipo de superficie por un varillaje y un sistema de empuje similar al de martillo en cabeza.

La energía de percusión es aplicada

directamente sobre la broca y no existen, por este

concepto, las pérdidas de la misma en los empates

de los tubos, manteniendo constante la velocidad

de penetración, independientemente a la

profundidad del hueco. Debido a que el pistón actúa

directamente sobre la broca, el varillaje es muy

liviano, diseñado solamente para impartir el

movimiento de rotación y empuje al sistema, así

como la conducción del aire de barrido. El mayor

diámetro del tubo reduce el espacio anular entre el

tubo y la pared del hueco, mejorando la eficiencia

del soplado y disminuyendo atascamiento y

derrumbe de las paredes.

Los equipos de martillo de fondo están disponibles en una gran variedad de configuraciones, según los

distintos fabricantes; el sistema puede estar montado en pequeños carros de perforación para su uso en pequeña

escala o en grandes y pesados vagones de perforación, de orugas, en minas a cielo abierto o canteras.

Mientras que la energía básica para el funcionamiento del sistema de perforación es basada en aire

comprimido, las demás funciones pueden ser ejecutadas con aire comprimido o energía hidráulica. Las

perforadoras son comúnmente utilizadas en diámetros entre 4” y 6 ½” (90 a 165 mm) y hasta unos 50 m de

profundidad.

4.2. PRINCIPIO OPERATIVO DEL MARTILLO DE FONDO

El martillo de fondo consiste en una camisa reemplazable que contiene un pistón que se mueve hacia

atrás y adelante, golpeando la culata, integrada a la broca. El aire de escape, se descarga a través de la broca

dentro del hueco, aprovechándose como fluido de circulación para la limpieza del hueco y enfriamiento de la

broca. El hueco es soplado antes del cambio de tubos, elevando la sarta y dejando que la broca cuelgue del

martillo, con lo cual el pistón se mueve hacia atrás, cerrando la válvula de retorno, parando el martillo

automáticamente. La perforación continua al presionar la broca contra la roca, se libera la válvula de entada de

aire y el pistón es empujado hacia delante comenzando el golpeteo. Los martillos de fondo operan,

eficientemente, con una presión de aire de alrededor de 25 bar (350 psi), con lo que se proporciona un frecuencia

de impacto de alrededor de 1.600 golpes por minuto.



Los martillos de fondo deben ser de constitución robusta, con una resistente camisa y un pistón con un

diámetro que en casos muy raros puede estar por encima del 50 o 60% del diámetro de la broca. Los

requerimientos de aire para el soplado del hueco y el funcionamiento del martillo, dependen de los siguientes

factores:

Diámetro del martillo

Diámetro de la tubería y la broca

Tipo de orificios de circulación en el martillo

Presión de aire disponible

Fabricante del martillo

Los martillos de fondo tienen una corta vida útil, comparados con los martillos en cabeza, dependiendo

la misma de los siguientes factores:

Diámetro del martillo

Tamaño del martillo

Presión de Operación

Abrasividad de la roca

Perforabilidad de la roca

Fig.4.3.- Diseño ensamblaje de un martillo de fondo y sus componentes

Ítem Descripción Ítem Descripción

1 Adaptador de rosca 2 3/8 API 9 Pistón

2 Anillos (O-ring) 10 Cuerpo del martillo (aloja el pistón)

3 Válvula check ( 11 Anillo de retención del pistón

4 Resorte de la válvula check 12 Sello separador de la guía y broca

5 Guía de la válvula check 13 Manga guia con 2 juntas torica (kit)

6 Bulon de retención del tubo 14 Anillo de retención de la broca

7 Estrangulador de (1/8, 3/16 y ¼)in 15 Acople para la broca al martillo (mandril)

8 Tubo con pasador de retención

Fig.4.4.- Componentes del Sistema Tubex Systems para un martillo de fondo



4.3. EQUIPO DE PERFORACIÓN

Los equipos de perforación que utilizan martillo de fondo son los similares para el uso de los martillos en

cabeza, ya sea un vagón perforador con compresor incorporado o con compresor remolcado (crawler drills). En

la figura 4.5 se muestran dos equipos típicos de carros livianos con compresor no incorporado, para trabajos

utilización de martillo entre 4” y 6”. Monturas sobre cauchos (carro perforador) y sobre orugas (air track). Para

trabajos más exigentes y de alto volumen de producción, se utiliza equipos de mayor tamaño y autonomía, de

manera que puedan ser utilizados con martillos de 6” a 8”. Este tipo de equipos es muy versátil y contienen una

serie de herramientas y sistemas que permitn la manipulación sin esfuerzo para el operador del mismo. (Fig. 4.5).

Las principales partes o componentes de un equipo de perforación con martillo de fondo para trabajos

semi pesados a pesados son:

Ítem Descripción Equipo

1 Motor de rotación: proporciona la fuerza de

rotación a la sarta de perforación

2 Motor de avance: proporciona la fuerza de

empuje haciendo tracción a la cadena de

avance de la torre

3 Mandos: palancas para el control de las

válvulas que regulan el empuje, la rotación y el

mecanismo de percusión

4 Martillo de fondo

5 Guía de barrenos o tubos: posee un

mecanismo para desenroscar las uniones de

los tubos y brocas, facilitando el trabajo al

operador

6 Winche neumático: para manejo de los

tubos o barrenos

7 Cadena de empuje

8 Almacenadora de tubos

9 Colector de polvo

10 Brazo

11 Sujetador de tubos

12 Mandos de funcionamiento: de los cilindros

hidráulicos del brazo

13 Sistema de suspensión de las orugas:

posee cilindros de compensación y

movimiento independiente de las orugas para

poder permitir el sentamiento seguro en

terrenos accidentados

14 Motores de propulsión

15 Ejes de articulación de las orugas

16 Tensor hidráulico de las orugas

Fig.4.5.- Diseño típico de un vagón perforador para trabajos

medianos y pesados



Para pequeñas canteras de hasta 2.000 ton por día y para canteras de corte de rocas ornamentales se

utiliza, comúnmente, los carros de desplazamiento manual, pero el rápido desarrollo de operaciones con

producciones mayores ha permitido la utilización de carros que pueden ser completamente autónomos con

fuentes de energía incorporada o depender de un compresor que permita el movimiento dentro del alcance de las

mangueras, y que puede estar en un máximo de 30 m. Estos equipos suelen ir montados sobre orugas de teja,

con el objeto de poder moverse por terrenos no muy preparados. El desplazamiento de las orugas se lleva a cabo

por medio de motores de aire comprimido o hidráulicos, con frenos de auto bloqueo y permiten velocidades de

hasta 3 kph. El tipo mas pesado de perforadora es la que lleva consigo el compresor y el motor que le permite

total autonomía y alcance. El peso de estas máquinas está alrededor de 3 a 5 ton y requiere de compresores de

600 a 900 cfm a 100 psi.

• Torre: Los equipos de perforación, generalmente, son equipados con una torre de rieles convencionales en

forma de U con una cadena de empuje instalada en su parte central, alimentada por un motor de empuje

neumático o hidráulico. La torre estándar suele ser de una longitud de 12 pies (3,60 m), con barras

acoplables de 10’ (3,00 m), aunque se pueden fabricar de mayor longitud, de acuerdo al diseño de la

perforación ya definido.

El varillaje es girado por uno o dos motores de rotación situados en la parte superior de la torre, que

suministra una velocidad entre 0 y 200 rpm, con torques hasta de 5.000 Nm. La guía centralizadora de

tubos está colocada al pie de la torre, es fabricada en acero fundido y constituida por una parte fija, sujeta a

la torre y otra móvil para permitir el retiro de los tubos o barrenos. En los equipos grandes tienen conectado

una herramienta para desenroscar los tubos y la campana aspirante del colector de polvo.

En los equipos con compresor incorporado (power pack on board), se cuenta con un cambiador de tubos

tipo revólver o carrusel y un Almacenadora de tubo con capacidad para 65 tubos de 10, 20 o 25 pies de

longitud (3, 6 ó 7,5 m).

• Brazo: Los equipos de perforación están equipados con un brazo de accionamiento hidráulico, robusto, fijo

o telescópico, que ofrece excelentes posibilidades para la puesta en posición de la torre. Posee cilindros

para izar, bajar y girar el brazo.

• Carro: Los equipos de perforación con martillo de fondo están montados en una base de orugas, caucho o

un camión. La energía para su movimiento es suministrada por motores hidráulicos o de aire comprimido.

Cuando está montado sobre un camión, el motor diesel que está integrado a él, suministra la energía de

funcionamiento. En las canteras, normalmente se utilizan las monturas de orugas, que tienen una gran

versátil dad para la operación en diferentes tipos de terreno.

• Brocas: Las brocas que utilizan los martillos de fondo varían en diámetro, siendo las más comunes las de

105 mm hasta 165 mm. Las brocas que se encuentran disponible en el mercado son:

Brocas de botones de carburo de tungsteno insertados.

Brocas con cuatro insertos de carburo de tungsteno (plaquitas) en forma de cruz.

Brocas con cuatro insertos de carburo de tungsteno (plaquitas) en forma de X.



Las brocas con insertos de botones son las mas utilizadas, debido a que evitan el problemático y difícil

reafilado de las plaquitas, ya que los insertos, por su forma son reafilables y, en caso de deformación, su

readecuación es sumamente sencillo, (Fig. 4.6).

Fig.4.5.-Diferentes tipos de brocas para martillo de fondo

Para la selección del tipo de broca a utilizar, deben considerarse factores tales como:

Abrasividad de la roca

Composición mineralógica

Características de las aleaciones de acero

• Barrenos: La selección del barreno depende del diámetro del hueco a ser perforado; el seleccionado

debe garantizar la velocidad óptima del fluido de circulación para limpieza del hueco. Diámetros muy

grandes restringen la salida de las partículas del detritus y muy reducidos, disminuyen la velocidad del

flujo y el detritus no sale del hueco, manteniéndose en suspensión a lo largo del mismo y atascando el

sistema debido a su acumulación.

Diámetro (mm) Longitud (mm) Rosca (API) Peso (Kg.)

76 1.500

3.000 2 3/8”

15

25

89

1.500

3.000

4.500

2 3/8”

22

44

63

114

1.500

3.000

6.100

3 ½”

45

61

170

115 7.600 3 ½” 199

127 6.100

7.600 3 ½”

204

257

Tabla 4.1.- Tamaños estándar de tubos de perforación

Los barrenos de perforación son de forma tubular y en sus extremos tienen conexiones

hembra y macho, lo que le permite el ensamblaje de varios sin la necesidad de utilizar manguitos de



conexión como en el varillaje del sistema con martillo en cabeza. Son construidos de aceros especiales

de alta resistencia, con menores espesores de las paredes con relación al diámetro exterior (que las

barras de martillo en cabeza) y con mayor sección para el paso del aire. La longitud de los mismos va a

depender del largo de la torre. (Ver Tabla 4.1).

• Limpieza del hueco: La limpieza se efectúa por el escape de aire del martillo. Aunque la mayoría de

las perforadoras utilizan una presión de 100 psi (similar a las de martillo en cabeza), una de las mayores

ventajas de no tener que transmitir la energía de golpeteo a través del varillaje y emplear secciones de

menor diámetro, proporciona la facilidad de emplear altas presiones, en el orden de 150 a 250 psi,

equivalentes a 10,5 y 17,75 atmósferas, respectivamente, elevando considerablemente la velocidad de

perforación y una mejor limpieza del hueco.

4.4. VENTAJAS Y DESVENTAJAS DE LA PERFORACIÓN CON MARTILLO DE FONDO

Las ventajas de la perforación con martillo de fondo pueden resumirse en las siguientes:

Mayor velocidad de penetración a mayores profundidades por la menor pérdida de energía a

través del varillaje. Mejor extracción del polvo por disponer de mas volumen de aire en el fondo. Menor ruido durante las operaciones de perforación. Mayor duración de los tubos de perforación.

Como desventajas podemos considerar:

El diámetro mínimo está limitado por la necesidad de introducir el martillo y, actualmente, se

estima en 4”. Riesgo de pérdida del martillo en el fondo del hueco por atascamiento y desprendimientos de

piedras en el interior del hueco. El diámetro del pistón está limitado a ser menor que el diámetro de la broca, por lo que, en

parte, puede ser compensado por una mayor longitud de la carrera del mismo a efectos de la

potencia disponible



CAPITULO V

5. PERFORACIÓN POR ROTACIÓN.

La perforación por rotación ha venido siendo utilizada en minería durante muchos años. Las

perforadoras rotativas aplicadas a minería, han seguido un desarrollo muy lento al principio, limitadas tan solo a

rocas blandas y por el método de drag bit o arranque en voladura primaria de gran diámetro, principalmente en

minas de carbón a cielo abierto.

Hasta 1949 la perforación de huecos para voladura primaria por el método de rotación se realizaba con

brocas de aletas cortantes (drag bit) y su utilización se circunscribía en menas blandas. A partir de esta fecha se

introdujo la limpieza, con aire comprimido, de los trozos de rocas, sustituyendo al fluido líquido, en las brocas de

triconos, de empleo generalizado en la perforación petrolera en rocas sedimentarlas desde 1.907. La

dependencia del empleo de líquidos (agua o soluciones densas) hacía muy problemática la utilización de este tipo

de perforadoras en los bancos de minería de superficie; por ello, la introducción de aire comprimido, aun a costa

de modificar esencialmente la broca tricónica, permitió el desarrollo de este método y su aplicación a rocas más

duras, mediante el empleo de mayores empujes y pares de rotación, capaces de vencer la resistencia de la roca.

(Ver Fig. 5.1)

Al incrementar los empujes y pares, ha sido

preciso la construcción de brocas con cojinetes

capaces de soportar las elevadas presiones

específicas, lo cual ha forzado a emplear diámetros

mayores, que han permitido llegar a fuerzas de empuje

por encima de las 120.000 libras, equivalentes a unos

55.000 kg y, actualmente, este sistema es utilizado

para perforar las formaciones mas duras encontradas

en la minería, hasta en diámetros que superan las 17”

(432 mm). La perforación por rotación es utilizada en

al mayoría de las grandes minas del mundo, donde se

realizan perforaciones de 152 a 445 mm de diámetro

(6” – 17 ½”) y hasta 50 m de profundidad.

Se trata, esencialmente, de un método muy

versátil que abarca un campo muy amplio de rocas

desde blandas -donde no admite competencias- hasta

muy duras, donde las últimas máquinas desarrolladas

han desplazado, en gran parte, de las operaciones de Fig. 5.1.- Equipo de perforación por rotación

perforación de las taconitas (cuarcitas ferruginosas) a las tradicionales Jet Piercings. La perforación a rotación

depende de cuatro elementos básicos:

• Torque suficiente para girar la broca en cualquier tipo de roca o estrato encontrado.

• Suficiente carga de empuje sobre la broca, para una penetración optima.

• Suficiente volumen de aire para la remoción del detritus de perforación y limpieza y enfriamiento de los

elementos móviles de la broca.



• Selección de la broca apropiada al tipo de roca a perforar.

La profundidad y diámetro del hueco, el tipo de formación a perforar y las condiciones del terreno donde

el equipo se movilizará, determinan el tipo de maquinaria y el diseño de los accesorios de perforación requeridos

para obtener una operación óptima, económica y efectiva. La dureza y abrasividad de la formación rocosa a ser

perforada y el diámetro del hueco, determinan el método de perforación a ser utilizado. Si el hueco tiene diámetro

mayor que 251 mm (9 7/8”), invariablemente, la perforación debe ser a rotación con broca de triconos. Sin

embargo, si el diámetro del hueco está entre 152 y 203 mm, y la formación es dura, el uso de perforación con

martillo de fondo (DTH) puede ser, en muchos casos, el método más económico.

5.1. ENERGÍA

La utilización de energía es necesaria para los siguientes objetivos:

Movimiento de traslación.

Rotación

Empuje y elevación

Nivelación

Colector de polvo

Aire comprimido para barrido y limpieza de detritus

Equipos auxiliares.

Las fuentes primarias de energía suelen ser:

Motor de gasolina - transmisión independiente.

Motor diesel - transmisión mecánica o hidráulica.

Motor eléctrico - transmisión electiva o mixta.

Para gran minería y máquinas de gran capacidad está generalizado el empleo de energía eléctrica con

tensiones medias (3.300 V, 50 Hz en Europa y 4.160 V, 60 Hz en América), alimentando la perforadora mediante

cable de cuatro fases protegido y recubierto especialmente para minería.

Sin lugar a dudas, la mayor parte de la energía se consume en producir el aire comprimido que requiere

el barrido. La rotación requiere tan sólo entre 40 y 100 HP, pero para ser flexible a los ajustes de par de torsión

debe ser en continua, lo que obliga a un sistema de conversión desde alterna en medio voltaje en continua de 440

- 380 V. El empuje y rotación suele llevarse a cabo mediante la transformación en energía hidráulica-mecánica

que acciona bien pistones, bien motores hidráulicos que mueven cadenas. También la nivelación se lleva a cabo

por energía hidráulica, así como la mayor parte de los equipos auxiliares, como pueden ser presurización,

lubricación y engrase, y, en algunos casos muy especiales los movimientos de traslación e incluso la rotación.

La distribución de potencias en una perforadora del tamaño 9" y empuje de 70.000 libras es como sigue:

- Aire comprimido: 150 HP en 3.000/4.160 V. Alterna

- Rotación: 25/50 HP en continua a 460 V

- Elevación traslado: 50 HP alterna

- Bombas hidráulicas: 15 HP alterna

- Rotoclone para polvo: 7,5 HP alterna

- Bomba agua compresor: 1 HP alterna

- Bomba agua radiador: 5 HP alterna

- Compresor auxiliar mandos: 5 HP alterna.



En caso de accionamiento diesel o gasolina, puede efectuarse con el mismo motor que acciona el

camión de traslación o bien por un motor independiente. Hoy suele ser más normal y eficiente el segundo

sistema dadas las diferentes características de motores necesarios.

Cada día se utiliza más la trasmisión por bombeo hidráulico de aceites ligeros para todos los servicios

necesarios y en caso de accionamiento diesel, se tiende más a la rotación por barra Kelly o tabla de rotación

especialmente donde tan solo se precisa perforación vertical.

5.2. ELEMENTOS OPERATIVOS

Las perforadoras rotativas consisten en una fuente de energía, barras o tubos, individuales o

conectados en serie, que transmiten a la vez el peso, la rotación y el fluido y, finalmente, una broca rotativa

engarzada de dientes de acero o insertos de carburo de tungsteno.

La perforación a rotación ataca la roca con la energía suministrada por la broca, generada por el

movimiento de rotación y el empuje aplicado. Los rodillos con insertos de botones de carburo de tungsteno, son

presionados contra la roca y al girar, fracturan la roca por medio de un efecto similar a la perforación a percusión.

Las astillas de roca son removidas por el aire de barrido, suministrado por un compresor a bordo del taladro.

5.2.1 Sistema de rotación: Con el fin de hacer girar continuamente las barras, las perforadoras rotativas,

llevan un motor de rotación montado sobre un bastidor que se desliza a lo largo de la torre de

perforación. Este motor puede ser eléctrico (AC o DC), hidráulico o neumático.

El sistema eléctrico, utilizado en la mayoría de las grandes máquinas, aprovecha la gran

facilidad de variación de intensidad-potencia en motores de corriente continua, pudiendo así regularse

suavemente la rotación entre 0 y 150 rpm, que es el rango normal.

El sistema hidráulico consiste en una bomba hidráulica de presión constante en circuito

cerrado y que por un convertidor de par puede variar, más o menos, de manera regular, la velocidad de

rotación del motor hidráulico situado en la cabeza de la barra de perforación. Se trata de un buen

sistema, pero el mantenimiento del circuito hidráulico en condiciones tan difíciles de polvo resulta

problemático.

El sistema mecánico se puede llevar a cabo por barra Kelly o por mesa de rotación. En el

primer caso, una barra cuadrada o hexagonal paralela a la barra de rotación transmite la rotación desde

la caja de cambios a la cabeza deslizante de rotación que atraviesa aquella, siendo la barra el primero

de los piñones de la reducción de la cabeza. Es un antiguo y muy usado sistema que ha dado

generalmente buen resultado tanto en petróleo como en minería. En el caso de mesa de rotación es

necesario que la barra de rotación tenga una forma adecuada para que en todo momento engrane con

los dientes de la mesa de rotación.

Suficiente fuerza de rotación debe ser suministrada a la broca en cualquier condición de la

perforación. (Ver Fig. 5.3). La potencia de rotación requerida para la perforación de un material

determinado y un diámetro de hueco, es proporcional a la velocidad de la mecha y a la fuerza de

empuje por pulgada de diámetro. El incremento en la velocidad de penetración es el resultado del

incremento en la velocidad de rotación. La combinación óptima (técnica y económica) de velocidad de



rotación y fuerza de empuje, es siempre producto de una estrecha interrelación entre la velocidad de

penetración y la vida de la broca.

Fig. 5.2.- Elementos operativos de la perforación a rotación

Fig. 5.3.-Principios de la rotación. (a) Motor de rotación. (b) Barra kelly

5.2.2 Sistema de empuje: Para obtener un buen índice de penetración en la roca es preciso un empuje

mínimo que depende tanto de la resistencia de la roca como del diámetro que se pretende perforar.

Las brocas usadas en perforación rotativa suelen requerir empujes de un orden entre 1.000 y 8.000 lb

por pulgadas de diámetro según el tipo de rocas (equivalentes a 177 – 1.714 kg/cm de diámetro).

Como el peso de las barras y adaptadores no son suficientes para obtener las cargas precisas, se hace

necesario aplicar fuerzas adicionales, que suelen transmitirse casi exclusivamente a través de energía

hidráulica.

La fuerza de empuje requerida

es baja comparada con la fuerza de

rotación, debido a que el peso de la sarta

de perforación es utilizado como parte de

la fuerza de empuje. El peso de todo el

conjunto de la máquina actúa, como

reacción, contra el empuje aplicado a la

broca, de donde aquel peso debe ser

bastante superior a la carga máxima que

se pretende aplicar. Para obtener el peso

adecuado de la máquina, para compensar

el empuje, puede llegar a ser preciso el

empleo de un contrapeso. (Ver Fig. 5.4)

Piñón y cremallera

Cadenas

Cadenas con piñón y

cremallera Fig.. 5.4.- Sistemas de aplicación del empuje



El sistema de empuje consiste en dos cilindros hidráulicos y dos cadenas. La fuerza es

aplicada a través de un cilindro hidráulico y cadena, sobre piñones situados a cada lado de la la

deslizadera de los motores de rotación, donde va acoplado el sistema de barras, de manera de

proporcionar una carga balanceada sobre la broca. Son pocos los casos en que los pistones

hidráulicos actúan directamente a la cabeza de rotación.

En la perforación con triconos, es muy importante mantener el control de la aplicación de la

fuerza de empuje, debido a que en la medida que ésta se incrementa, aumenta la velocidad de

penetración y aumentando el peso sobre la broca, por lo tanto, por encima de cierto peso crítico, puede

ocurrir entrabamiento de la broca por fallas en los rodamientos o daños en los conos.

El peso a aplicar está determinado por las características del material a ser perforado y la

velocidad a la cual la broca gira. Una combinación de excesiva velocidad y peso, además de aumentar

la velocidad de penetración, resulta en fallas prematuras de la broca. El peso aplicado sobre la broca

debe estar en el rango de 0,5 t/plg de diámetro para rocas suaves a medianamente duras hasta 4 t/plg

de diámetro para rocas duras a muy duras. Estas relaciones pueden observarse en las Tablas 5.1 y

5.2.

Tipo de formación Tipo de roca rpm Empuje (kg/in)

Suave – media Esquistos, aluvión, caliza, arenisca friable 75 – 160 750 – 1.950

Media – dura Arenisca, calizas, dolomita 60 – 80 1.400 – 2.400

Dura – muy dura Cuarcitas, granito 35 – 70 2.000 – 3.200

Tabla 5.1.- Empuje en función del tipo de roca

Diámetro del hueco Empuje

Mm pulgadas kg lb

152 – 200 6 – 7 7/8 13.600 30.000

178 – 230 6 ½ - 9 22.700 50.000

178 – 270 6 ½ - 10 5/8 31.800 70.000

230 – 311 9 – 12 ¼ 40.800 90.000

251 – 445 9 7/8 – 17 ½ 54.400 120.000

Tabla 5.2.- Empuje en función del diámetro del hueco

5.2.3 Sistema de barrido: A causa de la gran velocidad de penetración y la necesidad de aumentar la vida

de las bocas (especialmente los cojinetes) se utiliza un gran volumen de aire a baja presión para evitar

la presencia del detritus producido por la perforación.

El detritus generado por la perforación es removido por aire comprimido. El sistema de

circulación del aire es desde el compresor, por tubo, al mástil y, desde éste, por manguera flexible

protegida, a la cabeza de rotación, de donde pasa al interior de las barras de perforación que lo lleva

hasta la broca, saliendo por las toberas de los conos para producir la remoción del detritus que los

eleva hasta la superficie. El aire que pasa a través de los cojinetes de la broca es aproximadamente el

10% del total del aire suministrado, utilizándose para la limpieza y enfriamiento de la broca.



La velocidad requerida de aire suele estar entre 20 y 35 m/s (4.000 fpm a 7.000 fpm), según la

densidad de la roca y tamaño de los granos. Suelen tomarse en rocas de densidad 2.7 t/m3 alrededor

de 5.000 fpm para seleccionar el compresor. Si los trozos son grandes y la masa de aire insuficiente,

vuelven a caer a la broca para su remolienda hasta alcanzar el tamaño capaz de ascender. La falta de

aire provoca así, un consumo do energía innecesario, una menor velocidad de penetración y reducción

de la vida de la broca. En caso contrario, si la velocidad del aire es excesiva, resulta un efecto de

chorro de arena (sand blasting), causando un excesivo desgaste en la estructura de la broca y las

barras de perforación.

El detritus, al salir, se clasifica en dos clases, los de tamaño más grueso que se depositan en

la boca del hueco al descender la velocidad de transporte y los de tamaño fino, que suelen ser

descargados a la atmósfera o bien captados por un ciclón que los colecta.

Un sistema normalmente utilizado para mejorar la recuperación del polvo consiste en añadir al

aire de circulación una pequeña cantidad de agua e incluso un aditivo aglomerante que provoca la

formación de partículas mayores que pueden ser colectadas más fácilmente. Sin embargo, este

sistema, muy eficaz, provoca generalmente una reducción de la vida de la boca por un efecto posible

de corrosión de los cojinetes de los conos. Últimamente, se ha diseñado un sistema de adaptadores

sobre la broca que permite dar salida a esta pequeña cantidad de líquido para que no alcancen los

conos, sin perderse la eficiencia en el control del polvo.

La presión que se requiere, normalmente (para bancos de altura menor de 30 m) no es

superior a 60 psi, estando lo normal entre 40 y 50 psi, suficiente en los bancos de (10 a 15 m), para

vencer la caída de presión de la columna. Es recomendable mantener la presión por encima de 30 psi

en la broca y aumentar 1 psi por cada metro de altura de banco. Se utilizan generalmente compresores

rotativos de paletas (por su gran eficiencia) o bien de pistones en una sola etapa. En algunas máquinas

suele tenerse la posibilidad de tener un compresor que trabaje en 1 etapa para perforación rotativa y en

2 etapas (hasta 100 psi) para martillo de fondo.

Para garantizar un trabajo óptimo de la broca se debe mantener el fondo del hueco totalmente

limpio; años de experiencia han demostrado que una velocidad anular de retorno de 5.000 ft/min (1.525

m/min) es, usualmente, la mas adecuada para el desalojo del detritus de casi todos los materiales de

perforación, con densidades de hasta 3.200 kg/m3 (200 lb/ft3), para materiales mas pesados, la

velocidad puede ser incrementada hasta 9.000 ft/min (2.700 m/min), para aquellos materiales extra

pesados y húmedos. Para determinar el volumen de aire requerido, la simple ecuación de flujo Q = A

x V puede ser utilizada, la cual se transforma en:

Donde: Q = Volumen de aire en pie cúbico por minuto V = Velocidad del aire de retorno en pié por minuto D = Diámetro del hueco en pulgadas

35,183

22 ⎟⎠⎞⎜

⎝⎛ −

=dDV

Q

d = diámetro de las barras de perforación en pulgadas

O, también:



Donde: Q = Volumen de aire en metros cúbicos por minuto V = Velocidad del aire de retorno en metros por minuto D = Diámetro del hueco en centímetros

40,732.12

22 ⎟⎠⎞⎜

⎝⎛ −

=dDV

Q

d = diámetro de las barras de perforación en centímetros

5.3. MONTAJE.

Generalmente la plataforma de perforación, que soporta la casa maquinaria, torre, tubos y cabina, va

montada sobre un chasis fijo -excepcionalmente puede girar- que puede desplazarse, bien por neumáticos,

bien por orugas planas o con tejas. La mayor parte de las perforadoras grandes y de gran empuje van

montadas sobre orugas planas, ya que éstas pueden soportar mayores cargas y transmitir menor presión al

suelo en su desplazamiento, haciendo éste más fácil en cualquier terreno.

Las máquinas más ligeras y del tipo

Drag, suelen ir montadas sobre camión con

neumáticos, si bien al perforar, como en las

anteriores, se apoya sobre 3 o 4 gatos

hidráulicos que, además de soportar el

esfuerzo, sirven para nivelarla. Raros son los

casos en que las perforadoras rotativas se

montan sobre orugas de teja, tipo tractor,

pero pueden ser útiles, para condiciones muy

especiales de terrenos difíciles o

accidentados, como en obras públicas. (Ver

Fig. 5.5)

Fig. 5.5.- Tipos de montaje de las perforadoras a rotación

5.4. MÁSTIL Y MANIPULACIÓN DE BARRAS

Las estructuras de las torres que soportan las barras y la cabeza de rotación, así como otros servicios

auxiliares, deben estar diseñados no solamente para soportar el peso y esfuerzo del empuje sino

principalmente el par. Tradicionalmente la estructura ha sido del tipo reticular, bien de sección normal, bien

tubular. Los equipos más modernos han aplicado una estructura más rígida en forma de chapa y aceros en

U, que permite tanto la aplicación de pares mayores como emplear mástiles más altos, que hoy superan los

veinte metros.

Los mástiles suelen ser abatibles, empleando cilindros hidráulicos o tubos telescópicos, para poder

efectuar un largo transporte para el que es preciso bajar el centro de gravedad de la máquina. La

perforación inclinada, cuya importancia es apreciada al estudiar la voladura, suele ser dañina para un buen

mantenimiento de la torre y las barras.



Aún cuando es recomendable que se seleccione una máquina que permita perforar el barreno, con una

sola barra, ya que esto aumenta notablemente la eficiencia, hay que prever la necesidad de perforar

barrenos de mayor longitud de la barra seleccionada, lo cual obliga a que el mástil lleve un porta barras, así

como un sistema de acoplamiento de las mismas para su colocación o desacoplamiento.

Los equipos suelen montar estos sistemas del tipo simple o bandeja, o bien del tipo revólver, capaz de

llevar hasta 10 barras con una capacidad de perforación de hasta 50/60 metros. El mecanismo suele ser

automático permitiendo acoplar rápidamente cada nueva barra. Lamentablemente, suele ser este, uno de

los puntos que causa más pérdidas de disponibilidad mecánica. Actualmente, en la perforación minera de

gran diámetro, los mástiles son diseñados de manera que tengan la capacidad de contener una sarta de

perforación (con barras acopladas) que permita la perforación del hueco de un solo pase. El mástil suele

portar también una cabina para el operador que cada día está siendo ampliada y mejorada para lograr un

habitáculo confortable y libre de toda contaminación de polvo y ruido.

5.5. SISTEMA DE CONTROL DE EMISIÓN DE POLVO.

Uno de los temas que, hoy en día, reviste mayor importancia, lo constituye la supresión de los polvos

generados por la perforación, por lo que la mayoría de los fabricantes han integrado a sus equipos sistemas

para su control. El polvo no solo genera problemas a la salud de los trabajadores que realizan sus labores

en las cercanías de los equipos sino que también causa daños a los equipos expuestos a él. El polvo

generado puede ser suprimido por alguno de los dos métodos: húmedo y seco.

El método de supresión en húmedo consiste en la inyección de pequeñas cantidades de agua, solución

aglomerante o espuma de perforación, en el suministro de aire que va a la broca. El polvo generado por la

broca es humedecido en el fondo delo hueco y sólo material mojado y esquirlas son extraídos a la

superficie.

El método de supresión en seco consiste en proporcionar al equipo un colector de polvo. Todo el

detritus expulsado a la superficie es absorbido por el sistema colector, de donde es eliminado. El colector

está compuesto por un ciclón y una serie de filtros que están acoplados a un sistema de aspirado

conformado por cortinas de goma que cubre la entrada del hueco.

5.6. ACCESORIOS DE PERFORACIÓN.

Los principales accesorios de perforación a rotación son:

Broca tricónica Barrenos Estabilizador Amortiguador de

impactos

Fig. 5.6.- Accesorios para la perforación a rotación

• Broca tricónica: Con el desarrollo de la perforación rotativa en la década de los años 60, se

perfeccionó el diseño y fabricación de este tipo de bocas, entrando a competir con otros métodos de

perforación en rocas duras.



Como la misma palabra indica, este útil está formado básicamente por tres conos dentados en

la figura 5.7 se pueden ver las restantes piezas que integran esta herramienta de perforación.

Fig. 5.7.- Componentes de una broca tricónica Fig. 5.8.- Vista general y partes de una roca tricónica

Dentro de los triconos se pueden distinguir dos grupos, los dentados y los de insertos, (Ver

Fig. 5.8). Estos últimos son los que suelen utilizarse en rocas duras, ya que el arranque de la roca

principalmente es por trituración, mientras que los dentados se suelen utilizar en rocas más blandas

en los que el arranque es por desgarre o bien desgarre y trituración. El avance del tricono en el fondo

del barreno, lo regulará en gran parte el tamaño y forma de los conos, es decir el perfil del mismo.

Hasta ahora los fabricantes han utilizado diversos conjuntos de cojinetes; pero la práctica ha

demostrado que el conjunto más indicado en los triconos, es el formado por cojinetes de bolas, de

rodillos y lisos de fricción. Cada cojinete tiene un cometido distinto durante la perforación, los de

rodillo junto con los de fricción soportan las cargas radiales; las cargas de empuje hacia afuera según

el eje son soportadas por el tetón de fricción, transmitiendo parte de esta carga a los cojinetes de

bolas cuando el tetón se encuentra algo desgastado.

Los triconos son diseñados para que una parte del aire, aproximadamente el 10%, se

aproveche para la refrigeración y limpieza de los cojinetes. El resto del aire pasa a través de unas

toberas, con el fin de limpiar los conos y producir la turbulencia necesaria para iniciar la elevación del

detritus a través del espacio anular. Estas toberas disponen de unos diafragmas, los cuales pueden

variarse de posición para obtener las condiciones adecuadas y conseguir una limpieza efectiva del útil

y fondo del barreno. También suelen utilizarse toberas recambiables para conseguir el mismo fin.

Otro criterio de diseño es emplear insertos de carburo de tungsteno o aportes de metal, por

medio de soldadura, en la zona de los faldones protectores con el fin de evitar dejar al descubierto los

cojinetes cuando el desgaste fuera excesivo. De esta forma se aumenta la vida del tricono ya que

dichos cojinetes suponen el punto débil del útil. Tanto es así que la resistencia del tricono y por lo

tanto su vida aumenta con el área de los cojinetes, estimándose que dicha resistencia es proporcional

al cuadrado del diámetro.



• Barras: Las barras utilizadas en perforación rotativa con circulación de aire vienen definidas en cuanto

altura por la capacidad del mástil y en cuanto a diámetro y calidad por la necesidad de conseguir

resistencia a la torsión y al pandeo por el empuje que tiene que transmitir, como al desgaste externo

por la circulación del aire y partículas de roca.

La velocidad de salida del aire debe ser suficientemente alta para extraer los trozos de roca,

cuanto mayores mejor, pero no tanto como para provocar una rápida erosión de las barras.

Normalmente, se eligen éstas para dejar una diferencia entre 11/2” y 2” pulgadas entre diámetro del

barreno y diámetro exterior de la barra, siempre comprobando que con el caudal disponible se tiene la

velocidad de ascensión mínima prevista.

En sus extremos, las barras portan roscas macho y hembra con diseño API, BECO o

cualquier otro patentado. Estos extremos, que son la parte más cara y especial de la barra, deben

mantenerse empleando una grasa especial (con aditivos carburados) cada vez que se enroscan.

Cerca de las juntas roscadas, las barras tienen unas hendiduras que facilitan el roscado y

desenroscado mediante garras o llaves especiales acopladas en la mesa de rotación.

La tendencia normal es disponer una torre de perforación lo suficientemente alta para permitir

el uso de solamente una sarta de perforación para toda la profundidad del hueco. La mayoría de los

equipos, sin embargo, disponen de un portabarrenos semiautomático que simplifica la operación de

quitar o poner las secciones de la sarta de perforación. El mantenimiento y almacenamiento de las

barras es crítico para evitar en todo momento el pandeo, que provocaría un negativo efecto durante la

perforación.

El espesor de las barras varía según el diámetro de las mismas y va desde 12 mm para un

diámetro exterior de 6" (152 mm), a 25 mm para barras de 10 3/4" (273 mm.) . El peso puede, así,

alcanzar 60 kg/m, que para una longitud normal de 13,50 m da un total de hasta 800 kg, lo que

demuestra la necesidad de su manejo mecánico y automatizado.

Para la selección de las tuberías de perforación deben considerarse los siguientes aspectos:

- Capacidad del sistema de izado. - Diámetro y profundidad del hueco. - Volumen de circulación de aire disponible en el equipo. - Magnitud de la torsión, compresión y cargas de tensión. - Limitaciones de manejo y transporte. - Capacidad de las herramientas de enroscado y desenroscado

• Estabilizador: Para mantener el hueco derecho y producir una pared lisa, se utiliza un estabilizador

encima de la broca. Un estabilizador de diámetro adecuado actúa como una guía, obligando a la

broca a girar alrededor de su propio centro, utilizando así la energía de la forma más eficiente, (Ver

Fig. 5.9).

Para una efectiva estabilización de las operaciones de perforación, es importante la correcta

selección del estabilizador. Se pueden emplear dos tipos básicos de estabilizadores: estabilizadores

de cuchillas y de rodillos. El criterio económico y de aplicación de cualquiera de los dos diseños va a



depender de las variaciones de las condiciones de perforación, de mina a mina y de producto a

producto.

El estabilizador de cuchillas está,

normalmente, fabricado con tres o más

barras de sección rectangular soldadas,

axialmente o siguiendo una espiral

cilíndrica, a una corta sección de barreno

de unas 30" de largo. La eficiencia de un

estabilizador depende de su proximidad a

la pared del hueco. Este tipo de

estabilizador está diseñado para la

perforación en rocas blandas y de dureza

intermedia. La rata de desgaste de las

cuchillas, normalmente, resulta excesiva

en formaciones muy duras y abrasivas

debido a la acción de la fricción contra las

paredes del hueco, por lo que necesitan

frecuentes reconstrucciones. Fig. 5.9.- V ista de un

estabilizador Fig. 5.8.- Diseño y

sistema de circulación de aire del estabilizador

de rodillos

En una formación extremadamente abrasiva la vida efectiva de este tipo de estabilizador

puede ser muy pequeña, por lo que no es recomendable debido a los altos costos de las

reconstrucciones y los problemas operativos generados por su frecuencia en el cambio.

Para la perforación de rocas desde las medianamente duras hasta las muy duras resulta

eficaz el estabilizador mejorado provisto de rodillos cilíndricos en ejes paralelos al eje del hueco (Fig.

5.9). Los elementos guías en esta herramienta ruedan contra la pared del hueco, proporcionando una

estabilización ajustada con exigencias de par mínimas. La vida útil de los rodillos depende de la

adecuada elección para la formación en que se van a utilizar y, en términos generales, su vida útil es

varias veces la vida de los estabilizadores de cuchillas.

Los beneficios que aporta el uso del estabilizador en la perforación a rotación podrían

resumirse en:

- Disminución de las condiciones de desviación. Mejora en la rectitud del hueco. - Incremento de la vida útil de la broca y la penetración por un mejor aprovechamiento de las

fuerzas aplicadas a la broca. - Disminución de los efectos de desgaste y daño a los cojinetes de las brocas.

- Mayor estabilidad en las paredes del hueco, se reduce la remolienda por la disminución de las

partículas de retorno. - Debido a la mejor terminación del hueco, la carga de explosivos se hace mas uniforme y

mejor distribuida

• Amortiguador de impactos: Los amortiguadores de impacto (Shock absorbers), son acopladores

silenciosos utilizados entre la conexión del cabezal de rotación y las barras, con el fin de absorber las

vibraciones generadas por la acción de la broca durante la perforación. Este tipo de herramienta es



útil cuando se perfora en formaciones fracturadas, estratificaciones intermitentes o formaciones duras.

La utilización de estos amortiguadores produce los siguientes efectos:

- Reduce la frecuencia del mantenimiento de la perforadora por disminución de las cargas de

choque axiales y de torsión. - Incrementa la velocidad de penetración al mantener a la broca en un contacto permanente y

uniforme con la formación, permitiendo una utilización de mayores fuerzas de empuje y

rotación áreas fracturadas. - Incremento de la vida de la broca al disminuir cargas cíclicas, normalmente transmitidas a los

cojinetes y estructuras de corte de los conos. - Disminución del ruido y eliminación del contacto metal – metal entre el cabezal de rotación y

las barras.



CAPITULO VI

6. PLANIFICACIÓN DE LAS OPERACIONES DE PERFORACIÓN.

Los esquemas de trabajo en la planificación de las operaciones de perforación y voladuras, están,

generalmente, interrelacionados con las diferentes etapas del total de las operaciones (excavación, carga,

acarreo, movimiento de tierras, procesamiento de materiales, etc), por lo que la ubicación de cada una de las

operaciones en el tiempo o la secuencia de las mismas están influenciados por los siguientes factores:

Orden de ejecución de la operación. Capacidad y tipo de equipos. Tiempo disponible para cada etapa.

La planificación de cada etapa de la excavación de rocas está basada en la duración y secuencia de

cada una de ellas, específicamente determinada en el plan de ejecución de las operaciones o esquemas de

trabajo. Los patrones de perforación y las técnicas de voladura se planifican con el fin de fracturar la roca de una

manera eficiente, para suministrar la granulometría adecuada de la roca con el fin de optimizar las operaciones de

carga, acarreo y trituración que se desarrollan a continuación, de forma que el conjunto de las operaciones, se

realice de manera económica.

Por esa razón, es de crucial importancia prestar la debida atención al diseño de la perforación y la

voladura y seleccionar los equipos adecuados para realizar las operaciones. La cantidad de roca a ser excavada

y el esquema de trabajo determina la capacidad requerida de los equipos de perforación. El rendimiento de la

perforación depende de los siguientes factores:

Características técnicas del equipo. Perforabilidad de la roca. Diseño de los patrones de voladura. Planificación del turno de trabajo.

Las características técnicas del equipo y la perforabilidad de la roca determinan la velocidad de

penetración y la capacidad de perforación del equipo seleccionado. El rendimiento de la perforación por turno es

el resultado de la combinación de la capacidad de la perforación por hora y los tiempos de demora que ocurren

durante las operaciones. El número de equipos necesarios para las operaciones viene a ser el resultado de

combinar el rendimiento por turno de la perforadora y los volúmenes de roca requeridos. Los aceros de

perforación son seleccionados de acuerdo al tipo de equipos a utilizar y las características de la roca a perforar, lo

que a su vez es un factor de vital importancia para la determinación de la vida útil de cada uno, y la cantidad a

consumir durante las operaciones. Para una adecuada planificación de las operaciones y un cabal conocimiento

sobre la capacidad, rendimiento, numero de equipos y accesorios a utilizar, debemos considerar los siguientes

factores:

Rendimiento de las operaciones de perforación. Consumo de accesorios. Consumo de combustible y lubricantes.



6.1. RENDIMIENTO DE LAS OPERACIONES DE PERFORACIÓN

• Capacidad de perforación (Rendimiento de la perforadora - Cp).

La capacidad de perforación (Cp)de un taladro se determina por la velocidad de penetración y

el tiempo consumido por los movimientos operativos. Para entender mejor el esquema que se

desarrolla durante el trabajo de perforación de la máquina y obtener el rendimiento de la misma,

veamos los elementos que lo condicionan:

- Rata de penetración (velocidad de penetración, rata de penetración neta): Este índice está

referido al tiempo efectivo utilizado para perforar la roca sin pérdida de tiempo. Normalmente se

mide desde el comienzo de la penetración de la broca en la roca hasta que termina, de un solo

pase. El cálculo del índice se obtiene de la resultante de dividir la cantidad de metros perforados

entre los minutos consumidos (m/min). En las operaciones ya establecidas, el índice puede ser

calculado de manera práctica en el terreno. Para operaciones nuevas, se asume el índice

obtenido de operaciones realizadas en áreas de características similares o la información

proporcionada por los fabricantes de equipos, en función del tipo de roca a perforar.

- Tiempo consumido por movimientos operativos: Está referido al tiempo consumido en las

siguientes actividades:

Cambio de barras: Tiempo que demora el operador, después de haber introducido en su

totalidad la barra con la cual está perforando, en desacoplar la culata del manguito,

acoplarla a un nuevo manguito, elevar el martillo hasta el extremo superior de la torre,

acoplar la barra siguiente en el manguito de la culata y en el manguito de la barra

introducida para continuar con la operación. Limpieza del hueco: Tiempo empleado en operaciones de vaivén con la sarta de

perforación dentro del hueco, con el sistema de percusión detenido, suministrando aire

comprimido para completar la limpieza del hueco, después de haber alcanzado la

profundidad establecida. Retiro de barras: Tiempo empleado en desacoplar y retirar de la sarta cada una de las

barras y manguitos utilizados en la perforación, dejando solamente la barra que tiene

acoplada la broca en la torre del taladro. Cambio de hueco: Tiempo Empleado, después de finalizada la labor de perforación del

hueco, en retraer y posicionar la torre para el movimiento del taladro, trasladar la

máquina hasta el próximo hueco a perforar y estacionarla en el sitio de perforación del

próximo hueco. Posicionamiento: Tiempo empleado en posicionar y fijar la torre encima del punto

marcado para la perforación, para el inmediato comienzo de la perforación.

La tabla que se muestra a continuación describe los diferentes momentos de la operación de

perforación, de una voladura con huecos de 12,00 m de profundidad, utilizando una perforadora

neumática con barras de 10’ (3,00 m) y brocas de 3 ½” (88,9 mm).



Posicionamiento 04’:00’’ Acoplamiento barra 4 00’:32’’

Perforación con barra 1 12’:06’’ Perforación con barra 4 12’:42’’

Acoplamiento barra 2 00’:33’’ Limpieza de hueco 00’:30´´

Perforación con barra 2 13’:26’’ Retiro de barras 03’:18’’

Acoplamiento barra 3 00’:30’’ Cambio de hueco 03’:47’’

Perforación con barra 3 15’:12’’ Ciclo total de la operación 66’:36’’

66,60’ Tabla 6.1.- Ciclo típico de perforación

Encontramos, entonces, que el ciclo total de la operación es de 66’:36’’ (66,60 minutos);

Resumiendo, tenemos: Tiempo consumido en actividades de perforación: Está referido a la contabilización del

tiempo utilizado en labores de penetración exclusivamente, para tal efecto, el consumido

por la introducción de barras. En nuestro ejemplo se obtiene un total de 53’:26’’ (53,43

minutos). Este resultado, al relacionarlo con la profundidad alcanzada, obtenemos como

producto la velocidad (rata) de penetración (Vp), la cual sería igual a: min43,53

12m=

0,23 m/min. Tiempo consumido en actividades operativas conexas: Está referido al tiempo utilizado

en el resto de las actividades operativas distintas a la penetración, tales como

posicionamiento, cambio de hueco, montaje y desmontaje de barras, etc.. En el ejemplo

que nos ocupa, este tiempo arroja un total de 13’:10’’ (13,16 min). Este tiempo, en

operaciones, es denominado como “Demoras operativas inevitables”. El seguimiento y

análisis de estas demoras proporcionan un área de oportunidad para la optimización de

las operaciones de perforación.

La velocidad de penetración depende de las características técnicas del equipo y las

propiedades de la roca. La determinación de la capacidad de perforación (rendimiento de la

perforadora) depende, entonces, de dos factores: de la velocidad de penetración y la habilidad del

operador, reflejada en los tiempos de las actividades conexas. Por lo tanto, la capacidad de

perforación (Cp) podríamos calcularla dividiendo el total de metros perforados por hueco entre el

tiempo total del ciclo:

min60,6612 mCp = = 0,18 m/min

• Rendimiento del turno de trabajo (Rt)

Como rendimiento del turno de trabajo consideraremos el porcentaje de horas netas de

trabajo durante un turno de 8 horas. Para obtener esa relación, veamos los factores que la

condicionan:

Turno de trabajo: En las labores operativas continuas, como lo es el caso de las minas y

canteras, se considera como turno de trabajo el período continuo de 8 horas (jornada).

Normalmente, el período de 24 horas se divide en tres jornadas o turnos de trabajo:



- I turno: Horario comprendido entre las 23:00 y las 07:00.

- II turno: Horario comprendido entre las 07:00 y las 15:00.

- III turno: Horario comprendido entre las 15:00 y las 23:00.

Hora de entrada: Hora en la cual los trabajadores marcan su ingreso a planta, según el turno

que el corresponde (07:00, 15:00 ó 23:00).

Inicio de las operaciones: Hora en la cual el equipo entra, efectivamente, en operaciones de

perforación. El tiempo transcurrido entre la hora de entrada y el inicio de las operaciones es

considerada como demora, y está relacionada con las siguientes actividades:

- Mudarse de ropa: Cambio de la ropa de calle con la que el trabajador ingresa a

planta por la ropa de trabajo.

- Traslado al sitio de trabajo: Tiempo empleado en presentarse el trabajador al sitio

donde se encuentra la máquina. Este tiempo va a depender de la lejanía del área

de trabajo respecto al lugar donde lo deja el transporte.

- Revisión del equipo: Tiempo empleado por el operador en revisar y dejar a punto

los equipos antes de proceder a su arranque.

Hora de comida: De acuerdo a la Ley Organica del Trabajo, en un jornada labora continua, el

trabajador debe disponer, a la mitad del turno, un período de ½ hora de descanso para

comer. Dependiendo de la naturaleza de las operaciones y las particularidades de cada sitio

de trabajo, alrededor de esta ½ hora pueden acumularse demoras tales como:

- Traslado del trabajador de su sitio de trabajo hasta el comedor (en caso de que lo

hubiese).

- Aseo antes de comer.

- Aseo después de comer.

- Traslado del trabajador desde el comedor hasta el sitio de trabajo.

Terminación de las labores: Hora en que el trabajador, efectivamente, termina la operación y

apaga los equipos. Entre esta hoira y la hora de salida de planta, se acumula otro tiempo de

demora constituido básicamente por:

- Traslado del trabajador hasta los vestuarios.

- Aseo y cambio de ropa.

Salida de la Empresa: Hora de terminación de la jornada

Resumiendo lo analizado con un ejemplo típico tenemos:

Actividades Hora Demora Actividades Hora Demora

Ingreso a planta 07:00 Parada comida 11:50

Cambio de ropa 12’ Inicio operaciones 12:35 45’

Revisión de equipos 20’ Término de operaciones 14:45

Inicio de operaciones 07:32 Finalización del turno 15:00 15’

Total demoras 92’

Tabla 6.2.- Análisis del desarrollo de labores en una jornada de trabajo



Como se puede observar, de las 08 horas de trabajo de un turno, tenemos un total de 1h:32’

de demoras, lo cual, nos refleja un tiempo efectivo de trabajo de 6h:28’. El rendimiento del turno de

trabajo (Rt), será por consiguiente, la relación entre las horas efectivas trabajadas y las horas formales

de trabajo, por lo tanto:

100847,6

×=Rt = 80,83%

Es importante insistir en el análisis de las demoras que se presentan durante el turno de

trabajo, debido a que en la medida que se reducen, aumenta el rendimiento de la perforación. Las

demoras, en forma general, se han agrupado en dos tipos demoras previstas y demoras imprevistas.

Dentro de ellas existen otras categorías como son:

Demoras físicas: Son aquellas generadas, exclusivamente, por el factor humano.

Demoras mecánicas: Son aquellas generadas por el equipo.

Otras demoras: Se incluyen las ocasionadas por agentes externos, tales como lluvia, picadas

de insectos, etc.

Demoras previstas: Son todas aquella demoras inevitables en el transcurso de la operación.

- Demoras físicas: Tiempo de llegada y salida del área de operaciones, cambio de ropa, receso

para la comida.

- Demoras mecánicas: Revisión del equipo, suministro de combustible y lubricantes, cambio de

barras, introducción de barras, cambio de hueco, acoplamiento, salida de barras, etc.

Este tipo de demoras, como su nombre lo indica, no pueden ser evitadas, son tangibles y

constituyen un punto clave para la planificación de las operaciones. Por otro lado, aunque no pueden

ser evitadas, pueden ser perfectamente controlables.

Demoras imprevistas: Son aquellas que pueden ocurrir de manera fortuita y afectan el

desenvolvimiento de las operaciones. No pueden ser planificadas, aunque muchos de los

planificadores estiman un porcentaje de ocurrencia de las mismas dentro del tiempo previsto en las

operaciones.

- Demoras físicas: Revestimiento de paredes del hueco por derrumbe o presencia de grietas,

etc.

- Demoras mecánicas: Desperfecto en los equipos.

- Otras demoras: Lluvias, picadas de insecto, mordedura de animales, etc.

Muchas de las demoras imprevistas pueden evitarse con una buena planificación del trabajo

de perforación y una supervisión efectiva.

• Disponibilidad del equipo.

Toda la maquinaria en labores de construcción, canteras y minas están sujetas a labores de

mantenimiento, discriminadas de la siguiente manera:



Mantenimiento del equipo: Todos los equipos utilizados en minería, construcción o canteras

tienen una cartilla de mantenimiento, la cual establece la frecuencia de las paradas del

equipo para mantenimiento general, recambio de piezas de desgaste, etc., estas labores de

mantenimiento, generalmente, están programadas en función de las horas trabajadas de

manera continua. El fiel cumplimiento del programa de este tipo de mantenimiento reduce

considerablemente la posibilidad de daños en el equipo de manera imprevista.

Reparaciones de campo: Generalmente son demoras imprevistas por accidente de equipo

durante la operación. Este tipo de demoras, por lo aleatorio de su ocurrencia difícilmente

pueden ser planificadas, aunque, en muchos casos, se asume un porcentaje de ocurrencia

de las mismas.

Tenemos, entonces, que la disponibilidad del equipo es la probabilidad de que el equipo opere

de manera continua y satisfactoria, pudiéndose calcular de la manera siguiente:

12

1100TT

TDe

+×= , donde:

De = Disponibilidad del equipo (%)

T1 = Tiempo efectivo en operación (h)

T2 = Tiempo en labores de mantenimiento preventivo y correctivo (h)

El cálculo de este índice se presenta sencillo en las operaciones en ejecución, de la cual se

lleva un registro histórico por equipos de las horas efectivas trabajadas y las horas dedicadas a

mantenimiento y reparación. Por otro lado, en el caso de la preparación de un proyecto o la

planificación de operaciones donde no se tenga un registro histórico de esta información, el tiempo

efectivo en operación será el estimado, en función de la naturaleza y volumen de trabajo y el tiempo de

labores de mantenimiento, sería la sumatoria de las horas programadas para el mantenimiento de los

equipos en función de la cartilla de los mismos mas las horas estimadas para reparaciones no

programadas en el campo.

De acuerdo a las experiencias en estas labores, se podría establecer un estimado de horas

por reparaciones no planificadas o correctivas, que podría estar entre el 5% y el 15%, dependiendo de

las condiciones del equipo y su cercanía o lejanía del final de su vida útil; por supuesto, estas horas

obtenidas se sumarían a T2 y por consiguiente, se tendría una disponibilidad mas baja pero más

cercana a la realidad.

Para entender mejor el punto, veamos un ejemplo:

Si consultamos la cartilla de mantenimiento de equipos y ésta nos establece que debe

realizarse mantenimiento preventivo cada 125 horas de trabajo efectivo de la máquina, por el lapso de

un turno de trabajo (8 h x 0,8083) y además estimamos un porcentaje de reparaciones o ajuste en

campo (correctivo) por un total del 5% (6,25 h) del total de horas trabajadas tendríamos:

( ) %918083,0825,6125

125100 =×++

×=De



Por lo tanto, la disponibilidad planificada del equipo sería:

%91=De

Significa esto, que de todas las horas operativas del equipo, solamente se pueden utilizar el

91%, debido a que le resto (9%) estará en labores de mantenimiento preventivo y/o correctivo.

• Rendimiento de la perforación.

Luego de analizados exhaustivamente los puntos anteriores, procedemos a calcular el

rendimiento de la perforación (Rp), la cual sería igual a:

DeRtCpRp ××=

El resultado de este cálculo sería, en todo caso, el rendimiento de la perforación durante las

operaciones. En el ejemplo que estamos analizando sería:

Rp = 0,18 m/min x 0,8083 x 0,91 = 0,132 m/min

O, lo que es igual:

0,132 m/min x 60 min = 7,92 m/h

Significa esto, que en un turno de trabajo (8 h), el equipo perforaría un total de:

8 h x 7,92 m/h = 63,36 m

6.3. CONSUMO DE ACCESORIOS (ACEROS DE PERFORACIÓN).

Después de seleccionar el diámetro del hueco y el tipo de herramientas de perforación a utilizar, se

debe determinar sus consumos. Los factores que afectan la vida útil de las herramientas y, por lo tanto, su

consumo, son:

Total de roca a excavar. Volumen de roca por metro perforado. Abrasividad de la roca. Manejo de los equipos de perforación.

La vida útil de las herramientas o aceros de perforación es estimada por el examen particular de la roca

presente en el sitio de trabajo o por ensayos de laboratorio, porque sin eso es difícil asociar la vida útil de la

herramienta con las propiedades de la roca. La cantidad de aceros de perforación necesarios para ejecutar

las operaciones puede ser determinada con base al criterio que todos los huecos de las operaciones de

voladura (precorte, voladuras de producción, voladura secundaria, etc.), suman un total de metros durante el

desarrollo de las operaciones de manera global. Sin embargo, aquellas perforaciones que sean hechas con

aceros distintos, deben ser contabilizadas por separado.



La determinación de los consumos de acero parte de la información inicial que se debe disponer para el

cálculo, tal como:

Vr = Volumen total de roca a excavar (m3) Vm = Volumen específico de roca por metro perforado (m3/mp) Vb = Vida útil de la broca (mp) Vba = Vida útil de barras de perforación (mp) Va = Vida útil de los acopladores (mp) Vs = Vida útil de shank ó culata (mp)

Si la roca total a ser excavada es expresada en toneladas, se realiza la conversión dividiendo los metros

cúbicos entre el peso específico del material (ton/m3)

• Consumo de barras de perforación (Cba).

Para determinar el consumo de barras en la operación utilizaríamos la fórmula:

VmVbaVrCba×

=

Esta fórmula es válida si se utiliza una barra para realizar las operaciones de perforación. Sin

embargo, como es sabido, que la profundidad de los huecos en mayoría de las perforaciones de

voladura supera la longitud de una barra, es necesario la utilización de una sarta con varias de ellas

acopladas. Este factor operativo obliga a realizar un análisis de consumo por barras individuales.

El rendimiento individual de las barras varía significativamente si no se efectúa una rotación

de las mismas. La vida útil de la herramienta es, generalmente, expresada en metros perforados por

barra, lo cual podría considerarse como el promedio individual de cada componente de la sarta.

El rendimiento de las barras podría analizarse de acuerdo a la tabla que se muestra a

continuación (22.3), donde se analiza el comportamiento de la perforación de cinco huecos de 13 m

cada uno y la utilización de barras de 12’ (3,66 m) de longitud sin rotación.

Uso acumulativo de barras (m) Barra

Barra (m)

Total perforado (m) Hueco 1 Hueco 2 Hueco 3 Hueco 4 Hueco 5

1* 3,20 3,20 13,00 16,00 39,00 52,00 65,00

2 3,66 6,86 9,80 19,60 29,40 39,20 49,00

3 3,66 10,52 6,14 12,28 18,42 24,56 30,70

4** 2,48 13,00 2,48 4,96 7,44 9,92 12,40

Metros totales de barra 31,42

* Se considera la distancia entre la guía de barrenos y la boca del hueco

** Longitud faltante para completar la profundidad del hueco

Tabla 6.3.- Rendimiento de barras de perforación



Si la vida útil de las barras está estimada en 1.300 m, la primera de ellas fallará después de

los 100 huecos. Si se utiliza una nueva barra e igual que la anterior se coloca como numero 1, la

segunda barra fallará después de los 133 huecos, y así sucesivamente.

En caso, como ocurre realmente, que durante las operaciones de perforación se van rotando

las barras, entonces, para tener una idea del consumo de barras, tendríamos que obtener el promedio

de utilización por hueco, lo cual sería igual a dividir el metraje total de perforación del conjunto de

barras entre el numero de barras, por lo tanto, en el caso que estamos analizando sería 31,42 mba/4 =

7,86 mba.

Significa esto que, teóricamente, el conjunto de barras fallará cuando 1.300/7,86 ≈ 165

huecos sean perforados, lo que quiere decir que la vida útil promedio de las barras será 165 X 13 =

2.145 m.

Luego de este análisis, tendríamos el cálculo de consumo con la utilización de la fórmula descrita

inicialmente, pero con la salvedad que el número resultante debe ser multiplicado por la cantidad de

barras contenidas en la sarta de perforación.

• Consumo de acoples (Ca)

El caso de los acoples es similar al de las barras, con lo que haríamos un análisis parecido,

con la diferencia que en este caso hay un acople, el conectado al shank, que no entraría en contacto

con el hueco, por lo que su promedio de perforación es cero.

Barra Uso acumulativo de acoples (m) Acople

(m)

Total perforado (m) Hueco 1 Hueco 2 Hueco 3 Hueco 4 Hueco5

1 3,20 3,20 9,80 19,6 29,4 39,2 49

2 3,66 6,86 6,14 12,28 18,42 24,56 30,7

3 3,66 10,52 2,48 4,96 7,44 9,92 12,4

4 2,48 13,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00

Metros totales de acoples 18,42

Tabla 6.4.- Rendimiento de acoples (manguitos)

Si la vida útil de los acoples está estimada en 1.000 m, el primero ellos fallará después de los

78 huecos. Si se utiliza un nuevo acople e igual que el anterior se coloca como numero 1, el segundo

acople se romperá después de los 95 huecos, y así sucesivamente.

Con la rotación de los acoples en las operaciones de perforación, para tener una idea del

consumo, tendríamos que obtener el promedio de utilización por hueco, lo cual sería igual a dividir el

metraje total de perforación del conjunto de acoples entre el numero de acoples, por lo tanto, en el caso

que estamos analizando sería 18,42 ma/4 = 4,61 ma. Significa esto que, teóricamente, el conjunto de

acoples fallará cuando 1.000/4,61 ≈ 217 huecos sean perforados, lo que quiere decir que la vida útil

promedio de los acoples será 217 X 13 = 2.821 m. Luego, tendríamos, el cálculo de consumo con la

utilización de la fórmula:



VmVaVrCa×

=

pero, igualmente, haciendo la salvedad que el numero resultante debe ser multiplicado por la cantidad

de acoples contenidos en la sarta de perforación.

• Consumo de brocas (Cb).

En este caso, el cálculo es más sencillo, debido a que en la sarta de perforación se utiliza una

sola unidad. Por lo tanto, se aplica directamente la fórmula:

VmVbVrCb×

=

• Consumo de shank (Cs).

Este caso es idéntico al anterior, por lo que utilizamos el mismo criterio de la aplicación directa

de la fórmula:

VmVsVrCs×

=

6.4. CONSUMO DE COMBUSTIBLE Y LUBRICANTES

El consumo de combustible de un equipo de perforación depende principalmente de la eficiencia del

equipo y la naturaleza del sitio de trabajo (tipo de roca, diámetro del hueco, profundidad del hueco, aceros

de perforación utilizados, etc). el tiempo calculado como trabajo efectivo en un turno definiría el consumo

por turno del mismo. Los consumos de combustible consistirían en el utilizado por los equipos de

perforación integrados (con compresor a bordo – power pack), o por el compresor de aire comprimido en el

caso de los equipos neumáticos o air track con compresor independiente. Los consumos de combustibles y

lubricantes, en un área en operaciones pueden ser estimados en función del análisis estadístico de los

consumos reales por un tiempo determinado; pero, en caso de proyectos sin registros históricos, el

fabricante de los equipos, en su cartilla de especificaciones establece un consumo promedio de los mismos,

dependiendo de las condiciones de trabajo y el tipo de equipo.

Tomando un ejemplo del promedio estadístico del consumo de combustible y lubricantes por el lapso de

6 meses de dos equipos neumáticos en operación, marca Gardner Denver modelo AT-3200 con martillo PR-

123J de 88.9 mm (3 ½’’) de diámetro de perforación en una cantera de dolomita a la salida de la ciudad de

Upata, Estado Bolívar, encontramos la relación de consumos tal como sigue:

Descripción Cantidad Hrs/ trabaj Mts/perforados Ud/hora Ud/m

Combustible 400,00 lt 33,33 5,20

Aceite de motor del compresor 3,00 lt 0,25 0,04

Aceite de turbina del compresor 4,00 lt 0,33 0,052

Aceite de martillo 10,00 lt 0,83 0,13

Grasa 1,00 kg

12 77

0,083 0,013

Tabla 6.5.- Consumo típico de combustible y lubricantes

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