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MANUAL DE PER~ACtON y VOLA.DU,RADE ftcXAS" -~ ----

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SERlf: Tecnologa y Seguridad Minera ~

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PARTE 1. PERFORACION

CAPITULO 1. METODOS DE PERFORACION DE ROCAS................................................ 1. Introduccin ............... Tipologa de los trabajos de perforacin en el arranque con explosivos................................... 3. Campos de aplicacin de los diferentes mtodos de perforacin.............................................. 4. Clasificacin de las rocas y propiedades fsicas principales.................................................... 4.1. Clasificacin de las rocas por su origen ..... 4.1.1. Rocas gneas ................................ 4.1.2. Rocas metamrficas ..................... 4.1.3. Rocas sedimentarias..................... 4.2. Propiedades de las rocas que afectan a la perforacin . 4.2.1. Dureza .......................................... 4.2.2. Resistencia ................................... 4.2.3. Elasticidad..................................... 4.2.4. Plasticidad..................................... 4.2.5. Abrasividad ................................... 4.2.6. Textura.......................................... 4.2.7. Estructura...................................... Bibliografa . CAPITULO 2. PERFORACION ROTOPERCUTIVA..... 1. Introduccin ........................................................ Fundamentos de la perforacin rotopercutiva. 2.1. Percusin '~....... 2.2. Rotacin .................................................... 2.3. Empuje ...................................................... 2.4. Barrido... .............................. 3. Perforacin con martillo en cabeza................... 3.1. Perforadoras neumticas........................... 3.2. Perforadoras hidrulicas ............................ 4. Perforacin con martillo en fondo..................... 5. Sistemas de avance............................................ 5.1. Empujadores ............................................. 5.2. Deslizaderas de cadena ............................ 5.3. Deslizaderas de tornillo ............................. 5.4. Deslizaderas de cable ............................... 5.5. Deslizaderas hidrulicas............................ 6. Sistemas de montaje ,...... 6.1 . Sistemas de montaje para aplicaciones subterrneas ............................... 6.2. Sistemas de montaje para aplicaciones a cielo abierto ....................................... 2.

15 15 15 16 18 18 18 18 18 19 19 19 20 20 20 21 21 23 25 25 25 26 27 27 27 28 28 31 33 36 36 36 37 37 37 38 38 43

7. 8. 9.

6.3. Perforadoras manuales ............................. Captadores de polvo .......................................... Inclinmetros ......................................................

47 47 49 49 49 49 50 53 54 54 55 55 55 55 56 56 56

Velocidad de penetracin .................................. 9.1. Extrapolacin de datos reales.................... 9.2. Frmulas empricas ................................... 9.3. Ensayos de laboratorio .............................. 10. Velocidad media de perforacin........................ 11. Clculo del coste de perforacin ...................... 11.1. Amortizacin.............................................. 11.2. Intereses, Seguros e Impuestos ................ 11.3. Mantenimiento y reparaciones................... 11.4. Mano de obra "......... 11.5. Combustible o energa............................... 11.6. Aceites, grasas y filtros.............................. 11.7. Bocas, varillas, manguitos y adaptadores.. Bibliografa ..

. 2.

CAPITULO3. ACCESORIOS PERFORACION DE ROTOPERCUTIV A.............................. 1. Introduccin ................... 2. Tipos de roscas .................................................. 3. Adaptadores........................................................ 4. Varillaje................................................................ 5. Manguitos............................................................ 6. Bocas ,..........,

57 57 58 59 60 63 6365 68 70 70 72

de bocas.................. 9. Cuidado y mantenimiento del varillaje.............. 10. Gua para la identificacin de las causas de rotura de los accesorios de perforacin............... Bibliografa CAPITULO 4. 1. PERFORACION ROTATIVA CON TRICONOS ......................................... Introduccin ........................................................ .

foracin 8. Cuidado mantenimiento y

7. Clculo de necesidadesde accesorios de per-

.

2. Montaje y sistemas de propulsin..................... 3. Fuentes de energa ............................................. 4. Sistemas de rotacin.......................................... 5. Sistemas de empuje y elevacin ".......... 6. Mstil y cambiador de barras.............................

73 73 74 74 75 75 76

7. Cabina de mando................................................ 8. Sistema de evacuacin de los detritus ............. 9. Sarta de perforacin ........................................... 9.1. Acoplamientode rotacin .......................... 9.2. Barra.......................................................... 9.3. Estabilizador.............................................. 9.4. Perforacin en una pasada (Single Pass).. 9.5. Amortiguadorde impactos y vibraciones ... 9.6. Ensanchadores de barrenos ...................... 10. Elementos auxiliares.......................................... 10.1. Eliminacindel polvo................................. 10.2. Nivelacin.................................................. 10.3. Estabilidad................................................. 10.4. Capacidad para remontar pendientes........ 10.5. Inyeccinde aceite o grasa ....................... 11. Prctica operativa. Variables de perforacin... 11.1. Empujesobre la boca ................................ 11.2. Velocidadde rotacin ................................ 11.3. Desgaste de la boca.................................. 11.4. Dimetrode perforacin............................ 11.5. Caudal de aire """"""""""""""""""""'" 11.6. Criteriosde seleccin de perforadoras....... 12. Velocidad de penetracin .................................. 12.1. Ensayos sobre muestras ........................... 12.2. Frmulas empricas de estimacin de la velocidad de penetracin .............................. 12.3. Velocidad media de perforacin ................ 13. Clculo del coste de perforacin ...................... 13.1. Amortizacin.............................................. 13.2. Intereses, seguros e impuestos,,:................13.3. 13.4. 13.5. 13.6. 13.7. 13.8. 13.9. Bibliografa Mantenimiento """"""""""""""""""""'" Mano de obra ............................................ Energa...................................................... Aceites y grasas """""""""""""""""""" Velocidad media........................................ Boca, estabilizador y barra ........................ Ejemplo de aplicacin................................ .

77 77 78 79 79 79 79 79 80 81 81 81 81 82 82 82 82 83 84 84 84 84 86 86 87 88 89 89 89 89 89 89 89 89 89 90 90 91 91 92 92 92 92 92 93 93 93 93 94 94 95 95 96 96 96 96

Efecto de la velocidad de rotacin sobre la vida de los cojinetes .................................. 6.4. Efecto de la velocidad de rotacin sobre los elementos de corte .................................... 7. Seleccin de toberas"""""""""""""""""""""

6.3.

96 96 98 98 100 101 101103 103 103 106 106 109

Evaluacin de los triconos gastados................ 9. Ejemplo de seleccin de un tricono .................. 10. Cdigo IADC(International Association of Drilling Contractors) ................................................ Bibliografa . 8. CAPITULO 6. PERFORACION ROTATIVA POR CORTE 1. Introduccin ........................................................ Evacuacin del detrito........................................ . .

2. Fundamento de la perforacin por corte ..........3. 4. Utiles de Corte """"""""""""""""""""""""""

Bibliografa

CAPITULO 7. METODOS PERFORACION SISDE y TEMAS DE MONTAJE ESPECIALES 1. Introduccin ........................................................

111 111 111 111 112 114 114 114 116 116 117 118 119 119 120 121 123 123 123 123 123 125 125 125 125 125 126 126 126 126 127 129

2. Perforacin a travs de recubrimiento..............2.1. 2.2. 3. Mtodo OD ................................................ Mtodo ODEX (Overburden Drillingwith the

Eccentric)Perforacin

""""""""""""""""""""""""'"

CAPITULO5. TRICONOS............................................ 1. Triconos.............................................................. 2. Elementos constitutivos y criterios de diseo. 2.1. Conos ........................................................ 2.1.1. Angulodel eje del cono .................2.1.2. Descentramiento """"""""""""'" 2.1.3., Angulo del cono ............................ 2.1.4. Longitud de los dientes ................. 2.1.5. Espesor del cono .......................... 2.2. Rodamientos ............................................. 2.3. Cuerpo del tricono ..................................... 3. Metalurgiade los materiales del tricono........... 4. Tipos de triconos................................................

de pozos ......................................... 4. Perforacin de chimeneas ................................. 4.1. Plataforma trepadora Alimak ..................... 4.2. Jaula Jora .................................................. 4.3. Mtodo Raise Boring ................................. 5. Perforacin trmica (Jet Piercing)..................... 5.1. Proceso de perforacin trmica ................. 5.2. Aplicaciones .............................................. 6. Perforacin con chorro de agua........................ 7. Perforacin de rocas ornamentales .................. Bibliografa . CAPITULO 8. COMPRESORES ................................

5. Seleccin del tipo del tricono5.1. ... 5.2.

""""""""""""""

Triconos de dientes """"""""""""""""'" Triconos de insertos .................................. 6. Efectos de los parmetros de operacin sobre los triconos ......................................................... 6.1. Efectos del peso sobre los cojinetes .......... 6.2. Efecto del peso sobre los elementos de corte

1. Introduccin ........................................................ 2. Tipos de compresores........................................ 2.1. Compresores pistn.............................. de 2.2. Compresores tornillo............................. de 2.3. Compresor e paletas................................ d 3. Accionamiento .................................................... 4. Elementos auxiliares .......................................... 4.1. Filtrosde aspiracin................................... 4.2. Separadores de agua ................................ 4.3. Depsito de aire......................................... 4.4. Engrasadores ............................................ 4.5. Elevadores de presin ............................... 4.6. Mangueras flexibles................................... 5. Clculo de las cadas de presin....................... Bibliografa .

PARTE 11.EXPLOSIVOS Y ACCESORIOSCAPITULO9. TERMOQUIMICA LOSEXPLODE SIVOSY PROCESO DEDETONACION................................................... 1. Introduccin ........................................................ 2. 3. 4. 5. Deflagracin y detonacin ................................. Proceso de detonacin de un explosivo........... Termoqumica de los explosivos....................... Calor de explosin.............................................. 6. Balance de oxgeno ............................................ 7. Volumen de explosin ........................................ 8. Energa mnima disponible ................................ 9. Temperatura de la explosin ............................. 10. Presin de explosin.......................................... Bibliografa. ................................................................. CAPITULO10. PROPIEDADES DE LOS EXPLOSIVOS1. 2. Introduccin """""""""""""""""""""""""""" Potencia y energa """"""""""""""""""""""" 2.1. Mtodo Traulz............................................

131 131 131 132 133 134 134

135 136 136 137 137139 139 139 139

2.2. MorteroBalstico........................................ 2.3. Mtodode la Potencia Ssmica.................. 2.4. Mtodode Crter....................................... 2.5. Mtodo del Aplastamiento de un Cilindro... 2.6. Mtodo de la Placa .................................... 2.7. Medidade Energa Bajo el Agua ............... 2.8. Frmulas Empricas................................... 3. Velocidad de detonacin.................................... 3.1. Mtodo D'Autriche..................................... 3.2. Kodewimetro.............................................. 3.3. Crongrafo................................................. 4. Densidad............................................................. 5. Presin de detonacin ....................................... 6. Estabilidad .......................................................... 7. Resistencia al agua ............................................ 8. Sensibilidad ........................................................ 8.1. Sensibilidad a la iniciacin......................... 8.2. Sensibilidad al choque y a la friccin......... 8.3. Sensibilidad al calor................................... 8.4. Dimetro crtico ......................................... 9. Transmisin de la detonacin ........................... 10. Desensibilizacin............................................... 10.1. Desensibilizacinpor cordn detonante.... 10.2. Desensibilizacinpor efecto cana!............. 10.3. Presin ejercida por cargas adyacentes.... 11. Resistencias a las bajas temperaturas ............. 12. Humos ................................................................. Bibliografa . CAPITULO11. EXPLOSIVOSINDUSTRIALES ........ 1. Introduccin ........................................................ 2. Agentes explosivos secos ................................. 2.1. NitratoAmnico......................................... 2.2. ANFO "............. 2.3. ALANFO .................................................... 3. Hidrogeles ........................................................... 4. Emulsiones ......................................................... 5. ANFO pesado "............................ 6. Explosivos gelatinosos ...................................... 7. Explosivos pulverulentos .................................. 8. Explosivos de seguridad.................................... 9. Plvoras .............................................................. 10. Explosivos de dos componentes ...................... 11. Explosivos comercializados en Espaa ........... Bibliografa : . CAPITULO12. CRITERIOSDESELECCIONDE EXPLOSIVOS........................................ 1. Introduccin ........................................................ 2. Precio del explosivo """""""""""""""'..""""" 3. Dimetro de carga .............................................. 4. Caractersticas de la roca .................................. 4.1. Rocas masivas resistentes ........................ 4.2. Rocas muy fisuradas ................................. 4.3. Rocas conformadas en bloques................. 4.4. Rocas porosas........................................... 5. Volumen de roca a volar .................................... 6. Condiciones atmosfricas ................................. 7. Presencia de agua ,......................... 8. Problemas de entorno ........................................ 9. Humos ................................................................. 10. Condiciones de seguridad ............................... 11. Atmsferas explosivas..................................... 12. Problemas de suministro ................................. Bibliografa .

139 140 140 140 140 141 141 142 142 142 142 143 143 144 144 144 144 144 145 145 145 145 146 146 146 146 146 147 149 149 149 149 150 153 153 155 157 159 160 160 160 161 161 161

CAPITULO13. ACCESORIOS DE VOLADURA........ 1. Introduccin ........................................................ 2. Sistemas no elctricos de iniciacin................. 2.1. Detonadores iniciados por cordones detonantes de muy bajo gramaje ..................... 2.2. Detonadores Nonel o sistemas de tubo de choque . 2.3. Detonadores Hercudet............................... 2.4. Multiplicadorestemporizados .................... 2.5. Rels de microrretardo en superficie y en . barreno . 2.6. Detonadores ordinarios y mecha lenta....... 2.7. Cordones detonantes ,............. 3. Sistemas elctricos de iniciacin...................... 3.1. Detonadores elctricos convencionales..... 3.2. Detonadores elctricos Magnadet. Multiplicadores Magna .......................................... 3.3. Detonadores temporizados electrnicos.... 4. Fuentes de energa ............................................. 4.1. Explosores convencionales ....................... 4.2. Iniciacinpor corriente alterna................... 4.3. Explosores secuenciales ........................... 5. Otros accesorios ................................................ 5.1. Conectadores ".................................... 5.2. Tubos omega y enchufables ...................... 5.3. Elementos centralizadores y de retencin.

171 171 171 171171 172 173 174 174 175 176 176 178 179 180 180 181 181 182 182 184 184 184 185 185 185 185

5.4.5.5. 5.6. 5.7. 5.8. 5.9.

Taponespara el retacadode barrenos......

Tapones de sealizacin de barrenos ....... Embudos ................................................... Atacadores ................................................ Equipos de retacado .................................. Instrumentos de medida de la dimensin de 186 la piedra ..................................................... 186 5.10. Sistema de prediccin de tormentas.......... Bibliografa . 187 CAPITULO14. SISTEMASDE INICIACION CEBAy DO..................................................... 1. Introduccin ,................................................. 2. Iniciacin del ANFOa granel............................. 2.1. Iniciacincon cargas puntuales ................. 2.2. Clases de iniciadores................................. 2.3. Iniciacinpor cordn detonante ................. 2.4. Iniciacincon multiplicadory cordn detonante.......................................................... 3. Iniciacin del ANFOencartuchado.................... 4. Iniciacin de hidrogeles vertibles o bombeables...................................................................... 5. Iniciacin de cartuchos de hidrogeles y emulsiones .................................................................. 6. Localizacin de los iniciadores ......................... 6.1. Cebado en fondo ,................... 6.2. Cebado en cabeza..................................... 6.3. Cebado mltiple......................................... 6.4. Cebado axial.............................................. 7. Cebado de cartuchos de explosivos conven.

189 189 189 189 190 191 191 192 192 193 193 193 195 195 195

165 165

.

165 166 " 167 167 167 167 167 167 167 168 168 168 169 169 169 169

cionales ...............................................................196.. 196

Bibliografa

CAPITULO15. SISTEMASMECANIZADOS DE CARGAY DESAGEDE BARRENOS 197 1. Introduccin . 197 2. Sistemas mecanizados de carga de barrenos.. 197 2.1. Explosivosencartuchados 197 2.2. Explosivostipo ANFO 198 2.3. Explosivosdel tipo hidrogeles y emulsiones 202 3. Sistemas de desage 206Bibliografa 208

PARTE 111. OLADURAS VCAPITULO 16. 1. 2. MECANISMOS DE ROTURA DE LA ROCA................................................ Introduccin ........................................................

2. Dimetro de los barrenos...................................209 209 209 209 210 210 211 211 211 211 211 212 213 216 D 217 217 217 217 217 217 218 219 219 219 219 220 224 224 225 225

Mecanismos de rotura de roca .......................... 2.1. Trituracin de la roca ................................. 2.2. Agrietamiento radial................................... 2.3. Reflexin de la onda de choque................. 2.4. Extensin y apertura de las grietas radiales 2.5. Fracturacin por liberacin de carga.......... 2.6. Fracturacin por cizallamiento ................... 2.7. Rotura por flexin ...................................... 2.8. Rotura por colisin..................................... Transmisin rocoso de la onda de choque en un medio .

3.

4. Rendimiento energtico de las voladuras ........ Bibliografa .CAPITULO 17. PROPIEDADES DE LAS ROCAS Y LOS MACIZOS ROCOSOS Y SU INFLUENCIA EN LOS RESUL TADOS DE LAS VOLADURAS ............. Introduccin........................................................ de las rocas................................... Densidad ................................................... Resistencias dinmicas de las rocas ......... Porosidad .................................................. Friccin interna .......................................... Conductividad............................................ La composicin de la roca y las explosiones secundarias de polvo ................................. Litologa ..................................................... Fracturas preexistentes ............................. Tensiones de campo.................................. Presencia de agua..................................... Temperatura del macizo rocoso.................

1.

2. Propiedades2.1. 2.2. 2.3. 2.4. 2.5. 2.6.

Altura de banco................................................... Inclinacin de los barrenos ............................... Retacado .............. Sobreperforacin................................................ Piedra y espaciamiento ...................................... Esquemas de perforacin .................................. Geometra del frente libre .................................. Tamao y forma de la voladura ......................... Volumen de expansin disponible.................... Configuracin de las cargas.............................. Desacoplamiento de las cargas ........................ Explosivos .......................................................... Distribucin de los explosivos en los barrenos Consumos especficos de explosivos .............. Iniciacin y cebado de cargas ........................... Tiempos de retardo y secuencias de encendido Influencia del equipo de carga en el diseo de las voladuras....................................................... 20. Perforacin especfica ....................................... 21. Desviacin de los barrenos ............................... 21.1. Controlde la desviacin de los barrenos...

3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12. 13. 14. 15. 16. 17. 18. 19.

244 245 246 247 247 248 249 250 250 252 252 252 253 253 254 255 255 255 256 256 257 258 259 259 260 260 260 260 260 261 261 262 262 262 262 263 263 263 264 264 264 265 266 266 266 266 267 267 269 269 269 269 269 269 270 271 271 271

Bibliografa

.

CAPITULO 20. VOLADURAS EN BANCO................... 1. 2. Introduccin ........................................................ Voladuras en banco de pequeo dimetro ....... 2.1. Dimetros de perforacin........................... 2.2. Altura de banco.......................................... 2.3. Esquemas de perforacin, sobreperforacin y retacado ................................................. 2.4. Inclinacin de los barrenos ........................ 2.5. Distribucin de cargas ............................... 2.6. Ejemplo de aplicacin ................................ Voladuras de gran dimetro............................... 3.1. Dimetros de perforacin........................... 3.2. Altura de banco.......................................... 3.3. Retacado ................................................... 3.4. Sobreperforacin "............................. 3.5. Inclinacin ................................................. 3.6. Esquemas de perforacin .......................... 3.7. Distribucin de carga ................................. 3.8. Ejemplo de aplicacin................................ Voladuras en banco con barrenos horizontales Voladuras 6.1. para produccin de escollera .......................

3. Propiedades de los macizos rocosos ...............3.1. 3.2. 3.3. 3.4. 3.5. Bibliografa

.

CAPITULO18. CARACTERIZACION LOS DE MACIZOSROCOSOS PARA EL DISEODE LASVOLADURAS....... 1. Introduccin ........................................................ 2. Realizacin de sondeos con recuperacin de.. testigo y ensayos geomecnicos ...................... 3. Caractersticas de los sistemas de discontinuidades ................................................................... 4. Ssmica de refraccin.........................................

3. 227 227 227 228

.4. 5.

.. 5. Tcnicas geofsicas de sondeos de investjgacin 6. Testificacin de los barrenos de prodccin... 7. Caracterizacin del macizo rocoso durante la 232 perforacin de barrenos..................................... 7.1. Yacimientos carbn.............................. 234 de 7.2. Yacimientos metlicos ............................... 234 8. Intentos de correlacin de ndices de perfora-. cin con los parmetros de diseo de las voladuras . 236 8.1. Praillet....................................................... 236 8.2. IndiceR. O. l.............................................. 236 8.3. Indicede perforacin ............................. 237 Ip 9. Sistema de gestin de datos de perforacin en 240 tiempo real........................................................... Bibliografa . 241CAPITULO 19. 1. VARIABLES CONTROLABLES DE LAS VOLADURAS............................. Introduccin ........................................................

231 232 232 '"

6. Voladuras de mximo desplazamiento6.1.1. 6.1.2. 6.1.3. 6.1.4. 6.1.5. 6.1.6. 6.1.7. 6.1.8. 6.1.9.

Variables de diseo de las voladuras......... Dimetro de perforacin .............. Inclinacin ................................... Esquemas ................................... Piedra y espaciamiento ............... Sobreperforacin......................... Retacado..................................... Forma de la voladura................... Altura de banco ........................... Relacin altura de banco/anchura de hueco ..................................... 6.1.10. Tiempos de retardo y secuencias de encendido.............................. 6.1.11. Tipo de explosivo ........................ ......................... 6.1.12. Cebado 6.1.13. Consumo especfico o factor de energa ....................................... Mtodo de diseo de D'Appolonia Consulting Engineer ..............................................

243 243

6.2.

Apndice voladuras 1. 2. 3. 4. 6. 8.

l. Frmulas de clculo de esquemas de en banco .................................................... (1952)..................................................

274 276 276 276 276 276 277 277 277 277 278 278 278 279 279 279 279 280 .. 280 281 11.

Andersen

Fraenkel (1952) ................................................... Pearse (1955) ...................................................... Hino (1959) .......................................................... Ash (1963) ........................................................... ,.................................. Hansen (1967) .....................................................

10.2.3. Tipos de explosivos..................... 10.2.4. Tiempos de retardo ..................... 10.2.5. Iniciacin de las voladuras .......... 10.2.6. Control de las vibraciones ........... 10.2.7. Asentamientos asociados a la con. lidacin Voladuras aplicadas a la restauracin de terrenos. Voladuras geoecolgicas........................... 11.1. Modelado de los huecos finales de excavacin ............................................................ 11.2. Modelado de escombreras y tratamiento de superficies . Bibliografa .

301 302 302 302 302 302 303 304 305

5. Allsman (1960) .................................................... 7. Langefors (1963)

9. Ucar (1972) .......................................................... 10. Konya (1972)....................................................... 11. Foldesi (1980) ..................................................... 12. 13. 14. 15. 16. 17. 18. Praillet (1980) ...................................................... Lpez Jimeno E. (1980) ...................................... Konya (1983) " Berta (1985)......................................................... Bruce Carr (1985)................................................ Olofsson (1990)...................................................

CAPITULO 22. 1. 2. 3. 4. Introduccin Sistemas

VOLADURAS DE TUNELES y GALERIAS.................................................. ........................................................ de avance............................................

307 307 307 309 309 309 317 318 318 320 320 322 323 324

Rustan (1990)......................................................

Bibliografa

CAPITULO21. VOLADURASENOTROSTRABAJOS A CIELOABIERTO................... 283 1. Introduccin........................................................ 283 2. Excavacin de carreteras y autopistas ............. 283 2.1. Dimetros de perforacin........................... 283 284 2.2. Longitudes perforacin de "2.3. 2.4. 2.5. Distribucin de carga y retacado................ Esquemas de perforacin .......................... Secuencias de encendido.......................... de zanjas ........................................... 284 284 286 287 288 288 288 288 289 290 290 292 292 292 292 292 293 293 294 294 294 295 295 295 296 296 296 297 298 299 299 300 300 301

Esquemas de voladura en tneles "......... Tipos de cueles y clculo de voladuras............ 4.1. Cueles cilndricos ...................................... 4.2. Cueles quemados...................................... 4.3. Cueles en crter ........................................ 4.4. Cueles en ngulo....................................... 4.5. Galeras con capas de carbn ................... 4.6. Galeras en minas de sales ....................... Optimizacin del dimetro de los barrenos...... Equipos para el replanteo de esquemas de perforacin . "............................

5. 6.

Bibliografa

3.

Voladuras

3.1.3.2. 3.3. 3.4. 3.5.

Dimetros de perforacin...........................Esquemas de perforacin .......................... Sobreperforacin, retacado e inclinacin... istribucin de cargas y tipos de explosivos ............................................................ Secuencias de encendido..........................

3.6.4.

Controlde alteraciones

,

Voladuras 5. Voladuras

5.1.5.2. 5.3. 5.4. 5.5. 5.6. 6.

en rampas.......................................... para nivelaciones ............................. Dimetros de perforacin........................... Longitud de perforacin ............................. Distribucin de cargas y retacado.............. Esquemas de perforacin .......................... Secuencias de encendido.......................... Voladuras con barrenos horizontales......... .,.

CAPITULO23. VOLADURASEN POZOSY CHIMENEAS................................................ 325 325 1. Introduccin ........................................................ 325 2. Voladuras en pozos ............................................ 2.1. Mtodode banqueo ................................... 325 325 2.2. Mtodode espiral...................................... 2.3. Mtodode seccin completa ..................... 326 328 3. Voladuras en chimeneas.................................... 3.1. Mtodos con perforacin ascendente .......... 328 3.2. Mtodos con perforacin descendente ........ 329 Bibliografa . 332CAPITULO 24. VOLADURAS SUBTERRANEAS DE PRODUCCION EN MINERIA Y OBRA PUBLICA ...............................

1. Introduccin .......................................................2. Mtodo de crteres invertidos ........................... 2.1. Voladuras en crter ................................... 2:2. Mtodo de explotacin con crteres invertitidos VCR "

333 333 333 333 337

7.

Voladuras para cimentaciones ::........... 6.1 . Dimetros y longitudes de perforacin....... 6.2. Distribucin de cargas y retacado .............. 6.3. Esquemas de perforacin .......................... 6.4. Secuencias de encendido.......................... Minivoladuras ..................................................... 7.1. Zanjas para cables .................................... 7.2. Zanjas para tuberas .................................. 7.3. Hoyos para postes y vigas ......................... Prevoladuras....................................................... Voladuras Coyote ............................................... Voladuras de consolidacin de terrenos sueltos no cohesivos................................................. Mecanismos presentes en las voladuras de consolidacin . 10.2. Diseos de voladuras de consolidacin ..... 10.2.1. Procedimiento de perforacin y carga de los barrenos.................. 10.2.2. Dimensionado de las cargas de explosivo . 10.1.

2.3. Ventajas e inconvenientes del mtodo VCR 338 3. Mtodo de Barrenos Largos 338 3.1 . 3.2. 3.3. Mtodo de explotacin por Barrenos Largos LBH Voladuras en el mtodo por Barrenos Largos LBH Ventajas e inconvenientes del mtodo de.. Barrenos Largos LBH ............................ 338 339 341 341 344 345 346 346 346 348

8. 9. 10.

Subniveles con barrenos en abanico................ Mtodo de cmaras y pilares ............................. Mtodo de corte y relleno .................................. Cmaras subterrneas en proyectos de obra pblica . 7.1. Cmaraspequeas ".......... 7.2. Grandescmaras "............................ Bibliografa .

4. 5. 6. 7.

CAPITULO 25. 1. 2.

VOLADURAS DE CONTORNO ........

351 351 352 352 352 352 353 353 353 353 354 354 354 351 356 356 358 359 362 364 364 364 365 366 366 367 368 368 369 371 372 372 372

Introduccin ........................................................ Mecanismos responsables de la sobreexcava~~...................................................................... 2.1. 2.2. 2.3. Rotura por sobretrituracin y agrietamiento Rotura por descostramiento....................... Apertura de las grietas por accin de los gases .. Teora de la voladura de contorno..................... de voladuras de contorno........................ Voladuras de precorte ............................... Voladuras de recorte ................................. Voladuras amortiguadas ............................ Perforacin en lnea...................................

3. 4.

4. Secuenciasde voladuras en banco en excavacin de cmaras subterrneas........................... 5. Tiempos de retardo ............................................ 5.1. Influenciadel tiempo de retardo en la fragmentacin y desplazamiento ...................... 5.2. Influenciadel tiempo de retardo en las proyecciones y sobreexcavacin..................... 6. Voladuras subterrneas en tneles y galeras. Bibliografa .

391 391 392 395 395 396

Tipos 4.1. 4.2. 4.3. 4.4.

CAPITULO28. EVALUACION LOSRESULTADOS DE DE LA VOLADURA 397 1. Introduccin 397 2. Fragmentacin y esponjamiento de la pila de escombro . 397 2.1. Anlisiscualitativovisual ~.............. 397 398 2.2. Mtodofotogrfico..................................... 398 2.3. Mtodofotogramtrico............................... 398 2.4. Fotografa ultrarrpida ............................... 2.5. Procesamiento digitalde imgenes ........... 400 2.6. Estudiode la produccin delequipode carga 400 2.7. Volumende material que requiere fragmentacin secundaria 400 2.8. Produccin e interrupciones de la triturado401 ra primaria................................................. 401 2.9. Cribado parcial.......................................... 3. Geometrade la pila, altura y desplazamiento.. 401 4. Estadofsico del macizo residual...................... 401 4.1. Perfilesde la excavacin ........................... 401 5. Anlisis del piso del banco................................ 402 6. Presenciade bolos en la pila de material......... 402 7. Vibraciones y onda area................................... 405 8. Perfiles de las excavaciones subterrneas...... 405 9. Resumen.............................................................405 Bibliografa . 405CAPITULO 29. 1. 2. FRAGMENTACION SECUNDARIA y VOLADURAS ESPECIALES ............ Introduccin ........................................................

5.

Parmetros que intervienen en una voladura de contorno......................................................... 5.1. 5.2. 5.3. 5.4. 5.5. 5.6. Propiedades de las rocas y de los macizos rocosos . Propiedades del explosivo ......................... Explosivos utilizados en voladuras de contorno . Precisin de la perforacin ........................ Geometra de la voladura y secuencia de . iniciacin . La voladura de destroza y la proteccin de la voladura de precorte.............................. en el campo de las voladuras de .

6.

Tendencias contorno 6.1.

Precorte 6.1.1. 6.1.2. 6.1.3.

6.2. 7. 8. 9.

con espaciamiento de aire........... Criterios de diseo ...................... Otras aplicaciones....................... Comparacin de costes de las tc nicas de precorte ........................ Otras tendencias........................................ de resultados................................... ........................................ de rocas ornamentales

Evaluacin

Ejemplo de aplicacin Extraccin de bloques

con voladuras de contorno ................................9.1. 9.2. 9.3. 9.4. Variables de diseo ................................... Consideraciones prcticas sobre el uso de explosivos ... Optimizacin del diseo de voladuras de corte .......................................................... Ejemplo de clculo..................................... ..

407 407 407 407 407 408 408 409 409 409 409 410 410 411 411 412 412 412 413 414

Bibliografa

CAPITULO26. VOLADURAS SUBACUATICAS....... 375 375 1. Introduccin ........................................................ 2. 3. 4. 5. 6. Mtodos de ejecucin ........................................ Clculo de cargas y esquemas de pe'fforacin Carga de los barrenos y sistemas de cebado... Tipos de explosivos ........................................... Efectos ambientales asociados a las voladuras subacuticas .......................................................375 377 '"379 379 380 383 384 385

.

Taqueo con explosivos ...................................... 2.1. Con perforacin de barrenos ..................... 2.2. Con cargas superficiales............................ 2.3. Con minivoladuras ..................................... 2.4. Con cargas conformadas direccionales ..... Taqueo con medios mecnicos y mtodos especiales ............................................................... 3.1. Martillos hidrulicos ................................... 3.2. Agua a presin........................................... 3.3. Cuas , 3.4. Cementos expansivos ............................... 3.5. Bola dinmica "......................... 3.6. Fragmentacin elctrica con voladuras plasma............................................................. 3.7. Otros mtodos de taqueo ..........................

3.

7. Mtodo de cargas huecas .................................. 8. Voladuras de tneles subacuticos .................. BibliografaCAPITULO 27. SECUENCIAS DE ENCENDIDO Y TIEMPOS DE RETARDO.................. 1. Introduccin ........................................................ Secuencias de voladuras en banco con una fila Secuencias de voladuras en banco con filas mltiples ... 3.1. Voladuras con un frente libre ..................... 3.2. Voladura con dos frentes ...........................

.

Voladuras especiales "................. 4.1. Voladuras de zanjas en tierra .................... 4.2. Voladuras de tocones ................................ 4.3. Voladura de capas de hielo ....................... Bibliografa ..

4.

2. 3.

387 387 387 388 389 390

CAPITULO30. PLANIFICACION LOSTRABADE JOS DE PERFORACION VOLAy DURA................................................ 1. Introduccin ........................................................ 2. Factores que influyen en la planificacin de la perforacin y voladura ....................................... 2.1. Volumena excavar. Ritmosde produccin

415 415 415 416

2.2. 2.3. 2.4. 2.5. 2.6. 2.7.

Equipo de carga. Altura de banco.............. Geometra de la excavacin. Situacin geogrfica . Propiedades geomecnicas y estructurales de las rocas ............................................... Granulometra exigida ............................... Limitaciones ambientales ".. Coste global de perforacin y voladura......

416 416 416 416 417 418 418 422

3. Planificacin de las etapas de excavacin ....... Bibliografa . CAPITULO 31. 1. 2. 3. DEMOLICIONES DE ESTRUCTURAS Y EDIFICIOS """""""""""""""""'" Introduccin ........................................................

7. Corte de rboles con explosivos....................... 8. Cargas huecas .................................................... 8.1. Parmetros de diseo................................ 8.1.1. Angulode revestimiento.............. 8.1.2. Relacin entre longitudy dimetro de carga "...... 8.1.3. Standoff....................................... 8.1.4. Naturaleza del explosivo ............. 8.1.5. Iniciacindel explosivo................ 8.1.6. Metalde recubrimiento................ 8.2. Aplicaciones de las cargas huecas "...... Bibliografa ..CAPITULO 32.

436 437 437 437 437 437 438 438 438 438 439

423 423 423 424 424 424 426 427 428 428 428 429 431 432 433 433 434 435 435 5. OPTIMIZACION ECONOMICA DEL ARRANQUE CON PERFORACION 441 y VOLADURA...................................

Dimetros de perforacin y tipos de explosislvos ....................................................................

Demolicin de elementos estructurales ........... 3.1. Cimentaciones """"""""""""""""""""'" 3.2. Muros "................ 3.3. Pilares , 3.4. Losas......................................................... 3.5. Cubiertas ................................................... 3.6. Vigas ......................................................... 4. Demolicin de estructuras................................. 4.1. Chimeneas "............................ 4.2. Torres ........................................................ 4.3. Puentes .....................................................

1. Introduccin........................................................ 441 2. Economadel binomiode perforaciny voladuras . 4413. Modelo de optimizacin determinista ". 3.1. Costes de carga......................................... ,....... 3.2. Costesde transporte4, Prediccin de la fragmentacin......................... 4.1. Frmula de Larsson ................................... 4.2. Frmula de la SVEDEFO (Swedish Detonic Research Foundation) ............................... 4.3. Modelo KUZ-RAM...................................... 4.4. Frmula de DINIS DA GAMA (1970).......... 4.5. Abaco de Gustafsson ................................ 4.6. Modelo informatizado bidimensional.......... Modelo de optimizacin probabilstico ............. ,.......... . 443 444 444 445 445 446 446 448 448 448 450 451 451

5. Demolicin de edificios......................................5.1. 5.2. 5.3. 6. Edificios de mampostera........................... Edificios de hormign armado.................... Edificios mixtos ,................................ metlicas................

Demolicin de estructuras

6. Nuevo mtodo de optimizacin Bibliografa

PARTE IV.CAPITULO 33. 1. 2. Introduccin

CONTROL DE LATE RACIONES V MEDIDAS DE SEGURIDAD7.2. Inspecciones previasa lasvoladuras........ 8. Criterios de prevencin de daos en edificios. 8.1. Respuesta las estructurasedificadas.... de 8.2. Criteriosde prevencin daosparavibrade ciones ... ...... , ..., ..... 8.3. Criteriosde prevencin daospor onda de area . 9. Efecto de las vibraciones y onda area sobre las personas........................................................ 10. Efecto de las vibraciones sobre los macizos rocosos ..., ..., .......... 11. Efecto de las vibraciones sobre el hormign durante el perodo de fraguado ......................... 1.2. Recomendaciones para reducir los niveles de vibracin del terreno y onda area............... 12.1. Reduccin las vibraciones de condetonadoresde precisin ..................................... Bibliografa .417 473 473 474 481 483 483 486 487 489 491

lAS VIBRACIONES TERRESTRES, lA ONDA AEREA Y SU CONTROL. de

453 453 454

Variables geomtricasde las voladuras 3. Caractersticas de las vibraciones terrestres...3.1. 3.2.3.3. 3.4.

las vibraciones """""""""""""""""""""""""" 2.1. Geologa local y caractersticas de las rocas 2.2. Peso de la carga operante 2.3. Distancia al punto de la voladura ., 2.4. Consumo especfico de explosivo 2.5. Tiposde explosivos "... 2.6. Tiempos de retardo

Variables que afectan a las caractersticas

454 454 455 455-

456456 457 458~ 458 459460 460 460 460 461 461 464 465 467 468 469 469

2.7.

Tiposde ondasssmicasgeneradas Parmetros las ondas deAtenuacin geomtrica Amortiguacin inelstica,

3.5.4. 5.

Interaccin las ondas elsticas dede la onda area de registro y anlisis

."

Caractersticas Instrumentacin

de vibra-

ciones y onda area5.1. Equipos de registro y anlisis ,.. 6. Estlmadores de leyes de propagacin de vibraciones terrestres y areas 6.1. Estimadores de vibraciones terrestres 6.2. Prediccin terica de las vibraciones terrestres ............................................................ 6.3. Estimadores de onda area.......................

CAPITULO 34. lAS PROYECCIONES Y SU CONTROL 493

1. Introduccin 2. Modelos de alcance de las proyecciones

493 ",

3. Protecciones3.1. 3.2. 3.3. 3.4.

2.1. 2.2.

Modelo sueco Modelo americano

494 494 494

495

7. Estudios vibrogrficos y de onda area ...........7.1. Planteamiento de las campaas vibrogrficas

Voladuras en zanjas y excavacin de solares 496 Taqueos 497 Demoliciones , 497 Puestos de disparo de las pegas ". 497

4.

Recomendaciones para la ejecucin de las voladuras en banco ................................................ . MEDIDAS DE SEGURIDAD EN LOS TRABAJOS DE PERFORACION y VOLADURAS .. Introduccin........................................................ Perforacin de barrenos ....................................

3.12.497 498

Medidas al deshacerse de explosivos ....... . ...................................

510 511 513 514 518 522 525 528 528 529 531

Bibliografa CAPITULO 35.

Bibliografa ANEXOS

499 499 499

Anexo 1. Simbologa .............................................. Anexo 2. Glosario de trminos .............................. Anexo 3. Anexo 4. Anexo 5. Anexo 6. Anexo 7. Diccionario ingls-espaol.................... Diccionario espaol-ingls .................... Unidades fundamentales y derivadas del sistema internacional....................... Mltiplos y submltiplos de las unida- . des 5.1. ....................................................Conversin de unidades de medida ...... ................................... Parte de Voladura

1. 2.

Medidas generales de seguridad en la perforacin de barrenos 2.2. Medidas de seguridad previas al arranque 2.3. Medidas de seguridad en el arranque 2.4. Medidas de seguridad despus del arranque 2.5. Medidas de seguridad en los desplazamientos a cielo abierto 2.6. Medidas de seguridad en labores de interior 2.7. Medidas de seguridad durante la perforacin 2.8. Medidas de seguridad al finalizar la perforacin 2.9. Medidas de seguridad en el mantenimiento y servicio................................................... 3. Voladuras ............................................................ 3.1. 3.2. 3.3. 3.4. 3.5. 3.6. 3.7. 3.8. 3.9. 3.10. 3.11. Medidas al almacenar explosivos .............. Medidas al transportar explosivos dentro . de las explotaciones .................................. Medidas en el rea de la voladura ............. Medidas al preparar el cebo ...................... Medidas durante la carga de los barrenos. Medidas en el retacado.............................. Medidas al hacer voladuras elctricas ....... Medias al disparar con mecha ................... Medidas antes y despus del disparo ........ Medidas con barrenos fallidos ................... Medidas al taquear bolos...........................

2.1.

499 500 500 500 500 501 501 503 503 504 504 505 506 506 506 507 508 509 509 510 510

Anexo 8. Anexo 9.

Concentraciones lineales de carga para explosivos de diferentes densidades y barrenos de distinto dimetro................ Densidades aproximadas de distintos materiales rocosos ................................. ssmicas de diferentes pos de roca.............................................. ti-

532 533 534 535 538

Anexo 10.

Anexo 11. Velocidades Anexo 12. Anexo 13. Anexo 14. Anexo 15.

Perforadoras rotopercutivas con martillos en cabeza ......................................... Perforadoras rotopercutivas con martillos en fondo ........................................... Perforadoras metro rotativas de pequeo di.

539 540 541

Perforadoras rotativas de gran dimetro.............................................................

Anexo 16. Triconos ..................................................

...

..r

Captulo 1

METODOS DE PERFORACION DE ROCAS

1. INTRODUCCION

La perforacin de las rocas dentro del campo de las voladuras es la primera operacin que se realiza y tiene como finalidad abrir unos huecos, con la distribucin y geometra adecuada dentro de los macizos, donde alojar a las cargas de explosivo y sus accesorios iniciadores. Los sistemas de penetracin de la roca que han sido desarrollados y clasificados por orden de aplicacin son:

racin de este tipo son: la perforadora que es la fuente de energa mecnica, el varillaje que es el medio de transmisin de esa energa, la boca que es el til que ejerce sobre la roca dicha energa y el fluido de barrido que efecta la limpieza y evacuacin del detrito producido.

2. TIPOLOGIA DE LOS TRABAJOS DE PERFORACION EN EL ARRANQUE CON EXPLOSIVOSDentro de la amplia variedad de los trabajos de excavacin con explosivos, se han desarrollado un gran nmero de mquinas que dan lugar a dos procedimientos de perforacin:

A -Mecnicos.

Percusin

. Rotacin

.B -Trmicos

Rotopercusin

. Soplete o lanza trmicaPlasma

. .

Fluido caliente

. Congelacin

C -Hidrulicos.

D -Snicos E -Qumicos F -Elctricos

. . . .

Chorro de aguaErosin

A. Pertoracin manual. Se lleva a cabo con equipos ligeros manejados a mano por los perforistas. Se utiliza en trabajos de pequea envergadura donde por las dimensiones no es posible utilizar otras mquinas o no est justificado econmicamente su empleo. B. Perforacin mecanizada. Los equipos de perforacin van montados sobre unas estructuras, de tipo mecano, con las que el operador consigue controlar todos los parmetros de la perforacin desde unas posiciones cmodas. Estas estructuras o chasis pueden ir montadas sobre neumticos u orugas y ser automotrices o remolcables. Por otro lado, los tipos de trabajo, tanto en obras de superficie como subterrneas, pueden clasificarse en los siguientes grupos: A. Perforacin de banqueo. Es el mejor mtodo para lavolad u rad e rocasyaq uesed ispo nedeu nfrente Iib re para la salida y proyeccin del material y permite una sistematizacin de las labores.

. CavitacinVibracin de alta frecuencia

Microvoladura Disolucin Arco elctrico4'

.

.

. Induccin magntica . Rayo Lser

G-Sismicos

H -Nucleares

. Fusin . Fisin

A pesar de la enorme variedad de sistemas posibles de penetracin de la roca, en minera y obra pblica la perforacin se realiza actualmente, de una forma casi general, utilizando la energa mecnica. Por este motivo, en el presente manual se tratarn exclusivamente los mtodos mecnicos, pasando revista a los fundamentos, tiles y equipos de perforacin de cada uno de ellos. Los componentes principales de un sistema de perfo-

Se utiliza tanto en proyectos de cielo abierto e interior con barrenos verticales, generalmente, y tambin horizontales, en algunos casos poco frecuentes.

B. Perforacin de avance de galeras y tneles. Senecesita abrir un hueco inicial o cuele hacia el que sale el resto de la roca fragmentada por las dems cargas. La perforacin de los barrenos se puede llevar a cabo manualmente, pero la tendencia es hacia la mecanizacin total con el empleo de jumbos de uno o varios brazos. 15

C. Perforacin de produccin. Este trmino se utiliza en las explotaciones mineras, fundamentalmente subterrneas, para aquellas labores de extraccin del mineral. Los equipos y los mtodos varan segn los sistemas de explotacin, siendo un factor comn el reducido espacio disponible en las galeras para efectuar los barrenos. D. Perforacin de chimeneas. En muchos proyectos subterrneos de minera y obra pblica es preciso abrir chimeneas. Aunque existe una tendencia hacia la aplicacin del mtodo Raise Boring, an hoy se utilizael mtodo de barrenos largos y otros sistemas especiales de perforacin combinados con las voladuras. E. Perforacin de rocas con recubrimiento. La perforacin de macizos rocosos sobre los que yacen lechos de materiales sin consolidar obligan a utilizar mtodos especiales de perforacin con entubado. Tambin se emplean en los trabajos de perforacin y voladuras submarinas. F. Sostenimiento de rocas. En muchas obras subterrneas y algunas a cielo abierto es necesario realizar el sostenimiento de las rocas mediante el bulonado o cementado de cables, siendo la perforacin la fase previa en tales trabajos.

3. CAMPOS DE APLlCACION DE LOS DIFERENTES METODOS DE PERFORACION

Los dos grandes mtodos mecnicos de perforacin de rocas son los rotopercutivos y los rotativos. - Mtodos rotopercutivos. Son los ms utilizados en casi todos los tipos de roca, tanto si el martillose sita en cabeza como en el fondo del barreno. . - Mtodos rotativos. Se subdividen a su vez en dos grupos, segn que la penetracin se realice por trituracin, empleando triconos, o por corte utilizando bocas especiales. El primer sistema se aplica en rocas de dureza media a alta y el segundo en rocas blandas. Atendiendo a la Resistencia a Compresin de las rocas y al dimetro de perforacin, se pueden delimitar los campos de aplicacin de los diferentes mtodos tal como se refleja en la Fig 1.1. Por otro lado, segn el tipo de trabajo que se realice en minera u obra pblica de superficie los equipos que ms se utilizany dimetros ms comunes para las voladuras en banco se recogen en la Fig. 1.2.

MARTillO 'O Cl. 500..

EN

CABEZA

u::' 0.J

c::w.JCl. ::. W(f; Q U(J) zw wc:: I-Cl.(J)U W 0::

400 MARTilLO EN 300 200 FONDO

//ROTACION CON TREPANOI

(J)::' -o100

ROTACION CON TRICONO

DIAMETRO BARRENO (PuIQ) (mm) RANGO DE APLICACION 1" 22 1 1/2" 3338 41 N '1: Q) () Tabas volcnicas

'" "

Rocas

salinas:

Gneis:

Cuarcita,

Halita, anhldrita. yeso, caliza, dolomia y turba,lignito, hulla

Bandas alternas de minerales granuiareso laminares

mrmol, granulitas,corneanas, anfibolita

Microgranito

Microdiorita

Dolerita

0,06 Granular

fina

'" " ;eoU)

U)

Fangolita Pizarra:Fangolita fisible. Limolita: 50% de partculas granofino. deArgilita: 50% de partculas de grano muy fino. Calcilutita Riolita Andesita Basalto

:2

0,002

Granularmuy fina

'" U) g .Q. EMPUJE

Figura 2.4. Influencia del empuje sobre la velocidad de penetracin.

2.4.

Barrido

BOCA DE PASTILLAS 5-7"

oEmpuje

Para que la perforacin resulte eficaz, es necesario que el fondo de los barrenos se mantenga constantemente limpio evacuando el detrito justo despus de su formacin. Si esto no se realiza, se consumir una gran cantidad de energa en la trituracin de esas partculas traducindose en desgastes y prdidas de rendimientos, adems del riesgo de atascos. El barrido de los barrenos se realiza con un fluido -aire, agua o espuma-que se inyecta a presin hacia el fondo a travs de un orificio central del varillaje y de unas aberturas prcticadas en las bocas de perforacin. Las partculas se evacan por el hueco anular comprendido entre el varillaje y la pared de los barrenos. Fig.2.5.

lBOCA DE BOTONES

FLUIDO DE BARRIDO

i, ,10 i i

l

Figura 2.3.

Velocidades

de rotacin para bocas de pastillas y botones.

2.3.

La energa generada por el mecanismo de impactos del martillo debe transmitirse a la roca, por lo que es necesario que la boca se encuentre en cOnJacto permanente con el fondo del barreno. Esto se consigue con la fuerza de empuje suministrada por un motor o cilindro de avance, que debe adecuarse al tipo de roca y boca de perforacin. Un empuje insuficiente tiene los siguientes efectos negativos: reduce la velocidad de penetracin, produce un mayor desgaste de varillas y manguitos, aumenta la prdida de apriete del varillaje y el calentamiento del mismo. Por el contrario, si el empuje es excesivo disminuye tambin la velocidad de perforacin, dificulta eldesenroscado del varillaje, aumenta el desgaste de las bocas, el par de rotacin y las vibraciones del equipo, as como la desviacin de los barrenos. Al igual que sucede con la rotacin, esta variable no influye de forma decisiva sobre las velocidades de penetracin. Fig. 2.4.

Figura 2.5. Principio de barrido de un barreno.

El barrido con aire se utiliza en trabajos a cielo abierto, donde el polvo producido puede eliminarse por medio de captadores. El barrido con agua es el sistema ms utilizado en perforacin subterrnea que sirve adems para suprimir el polvo, aunque supone generalmente una prdida de rendimiento del orden del 10% al 20%.La espuma como agente de barrido se emplea como complemento al aire, pues ayuda a la elevacin de partculas gruesas hasta la superficie y ejerce un efecto de sellado sobre las paredes de los barrenos cuando se atraviesan materiales sueltos. Las velocidades ascensionales para una limpieza

27

eficiente con aire oscilan entre los 15 y los 30 mis. Las velocidades minimas pueden estimarse en cada caso a partir de la expresin:

v = 9 55 x ~donde:

.

'

p, + 1

xdp

0,6

va = Velocidad ascensional (mis). p, = Densidad de la roca (g/cm3). dp = Dimetro de las partculas (mm). As, el caudal que debe suministrar Q.= siendo: Q.= Caudal (m3/min). D = Dimetro del barreno (m). d = Dimetro de las varillas (m). v.x(D2-d2) 1,27 el compresor ser:

Cuando se emplea agua para el barrido la velocidad ascensional debe estar comprendida entre 0,4 y 1 mis. En estos casos, las presiones estn limitadas entre 0,7 y 1 MPa para evitar que dicho fluido entre en el martillo. En el caso del aire, con martillos en cabeza, no es frecuente disponer de un compresor de presin superior nicamente para el barrido. Slo en el caso de los martillos en fondo se utilizan compresores de alta presin (1-1,7 MPa) porque adems de servir para evacuar el detrito se aumenta la potencia de percusin. Un factor que es preciso tener en cuenta para estimar el caudal de barrido es el de las prdidas de carga que se producen por las estrechas conducciones que debe atravesar el fluido (aguja de barrido, orificio .de las varillas) y a lo largo de la sarta de perforacin. En la Tabla 2.2, se indican las velocidades de barrido, cuando se perfora con martillo en cabeza, en funcin del caudal de aire que proporciona el compresor y el dimetro del varillaje.

TABLA 2.2 9,3 51 72 21 9,3 87 61

CAUDAL (m3/min) Dimetro varilla (mm) Dimetro del manguito Dimetro orificio de barrido (mm) DIAMETRO DEL BARRENO 51 mm (2") 64 mm (2'/i') 76 mm (3") 89 mm (3'//') 102 mm (4")115 mm (4'12")

3,2 32 45 12

5,2 38 55 14

6,5 38 55 14

6,5 45 61 17

9,3 45 61 17

9,3 100 76

VELOCIDAD.DEL AIRE DE BARRIDO (mis) 43 22 15 42 25 17 52 32 21 15 37 24 17 12 50 27 22 17 13 36 24 18 15 68 34 19 16 -

69 34 21 15

127 mm (5") 140 mm (5'12") 152 mm (6")

-

3. PERFORACION CON MARTillO EN CABEZAEste sistema de perforaci6n se puede calificar como el ms clsico o convencional, y aunque su empleo por accionamiento neumtico se vio limitado por los martillos en fondo y equipos rotativos, la aparicin de los martillos hidrulicos en la dcada de los setenta ha hecho resurgir de nuevo este mtodo complementndolo y amplindolo en su campo de aplicacin. -

elemento portabarrenas, as como un dispositivo retenedor de las varillas de perforacin. El pistn que con su movimiento alternativo golpea el vstago o culata a travs de la cual se transmite la onda de choque a la varilla. La vlvula que regula el paso de aire comprimido en volumen fijado y de forma alternativa a la parte anterior y posterior del pistn. Un mecanismo de rotacin, bien de barra estriada o de rotacin independiente. El sistema de barrido que consiste en un tubo que permite el paso del aire hasta el interior del varillaje.elementos son comunes a todos los tipos de existentes en el mercado, variando nicamente caractersticas de diseo: dimetro del cilindro, de la carrera del pistn, conjunto de vlvulas de

-

-

3.1.

Perforadoras neumticas

Un martillo accionado por aire comprimido consta bsicamente de: Un cilindro cerrado con una tapa delantera que dispone de una abertura axial donde va colocado el

Estos martillos algunas longitud

distribucin, etc.

28

A continuacin se describe el principio de trabajo de un martillo neumtico, Fig. 2.6 a 2.12.

que ahora es comprimido superior a la atmosfrica.

hasta una presin ligeramente

1

46 8

Figura 2.6. El pistn se encuentra de retroceso.

al final de su carrera Figura 2.9. El pistn comprime el aire que se encuentra delante.

1. El pistn se encuentra al final de su carrera de retroceso y est listo para comenzar su carrera de trabajo. El aire, a la presin de alimentacin, llena la culata (1) y pasa a travs de la lumbrera trasera de alimentacin (2) al cilindro (3). El aire empuja el pistn hacia adelante, comenzando la carrera de trabajo. Mientras, la parte frontal del cilindro (5) se encuentra a la presin atmosfrica, al estar abierta la lumbrera de escape (6).

4. El pistn contina movindose hacia adelante a causa de su inercia hasta que golpea al adaptador de culata. Entonces el borde trasero de la cabeza del pistn (8) ha descubierto la lumbrera de escape (6) y el aire de la parte trasera es expulsado a la atmsfera. Mientras esto sucede, el extremo trasero (10) de la cabeza de control del pistn abre la lumbrera frontal de entrada del aire comprimido (5) que empuja el pistn hacia atrs en la carrera de retroceso. Durante esta etapa hay aire comprimido empujando al pistn por su parte frontal (5) y tambin empujndole por su parte trasera (10). La superficie frontal es mucho mayor que la trasera (10), por lo que el pistn se desplaza hacia atrs.

73

4 6

Figura 2.7. El pistn se acelera hacia adelante.

56

2. El pistn (4) contina acelerndose, empujado por la presin de alimentacin, hasta que el borde frontal (7) de la cabeza de control del pistn cierra la entrada del aire comprimido. El aire confinado en la parte trasera del cilindro (3) comienza a expansionarse y contina empujando hacia adelante al pistn. Obsrvese que la cabeza del pistn (4) cierra la lumbrera de escape (6) y el extremo frontal se encuentra todava a la presin atmosfrica.

Figura 2.10. El pistn se acelera hacia atrs.

5. El pistn se acelera hacia atrs en su carrera de retroceso, hasta que la cabeza de control cubre la lumbrera de entrada de aire (10), entonces, el aire de la zona (5) se expansiona y contina empujando al pistn hacia atrs.

73

6 6

Figura 2.8. El borde trasero de la cabeza del pistn descubre la lumbrera de escape.

3

11 6

3. El aire confinado en la parte trasera del pistn (3) contina expansionndose hasta que el borde trasero de la cabeza del pistn comienza a descubrir la lumbrera de escape (6). Recurdese que la cabeza de control del pistn (7) ha cerrado ya la entrada de aire comprimido, con lo cual no se malgasta el aire comprimido cuando se abre la lumbrera de escape. En la parte frontal de la cabeza del pistn ha quedado atrapado aire que estaba a la presin atmosfrica (5) y

Figura 2.11. El borde frontal de la cabeza del pistn descubre la lumbrera de escape.

6. El pistn contina acelerndose hacia atrs mientras el aire de la parte frontal (5) se expansiona hasta que el borde frontal de la cabeza del pistn (11) descubre la lumbrera de escape, el aire entonces es atrapado en la parte posterior del cilindro (3) y se comprime hasta una presin ligeramente superior a la atmosfrica. Obsrvese que el borde frontal de la cabeza de control (7) 29

acaba de abrir la lumbrera trasera de alimentacin de aire comprimido.

estras rectas engranan con las de la tuerca del buje de rotacin, la cual va unida interiormente a la rueda de trinquetes. Tambin en este caso las varillas slo giran durante la carrera de retroceso del pistn.

TRINQUETES

6 6Figura 2.12. El pistn finaliza la carrera de retroceso.

BARRA ESTRIADA

7. La carrera de retroceso finaliza cuando la lumbrera trasera de suministro de aire se abre completamente, permitiendo la entrada del aire comprimido tras el pistn. Esto produce un efecto de amortiguacin que produce la parada suave del pistn, y al mismo tiempo se prepara para una nueva carrera de trabajo.Algunas caractersticas dican en la Tabla 2.3. tpicas de estos equipos se in-

VARILLA

DE PERFORAC'ON

TABLA 2.3. CARACTERISTICAS MEDIAS DE MARTILLOS NEUMATICOSFigura 2.13. Perforadora con rotacin por mecanismo de barra estriada.

Relacin dim. pistn/dim. barreno Carrera del pistn (mm) Frecuencia del golpeo (golpes/min) Velocidad de rotacin (r/min) Consumo relativo de aire (m3/min. cm. dimetro)

15-1,7 35 - 95 1500 - 3400 40 - 400 2,1 - 2,8

El segundo procedimiento, que es el ms extendido, utiliza un motor exterior al martillo neumtico o hidrulico. Las ventajas que presenta son:Con un pistn del mismo tamao se posee ms energa en el martillo, ya que al eliminar la barra estriada alJmenta la superficie til del pistn sobre la que acta el aire a presin. Se dispone de mayor par, por lo que se puede trabajar con dimetros y longitudes mayores. Permite adecuar la percusin y la rotacin a las caractersticas de la roca a penetrar. Aumenta el rendimiento de la perforacin.

Las longitudes de perforacin alcanzadas con este sistema no suelen superar los 30 m, .debido a las importantes prdidas de energa en la transmisin de la onda de choque y a las desviaciones de los barrenos. Como se ha indicado, la rotacin del varillaje puede conseguirse por dos procedimientos diferentes: a) b) Con barra estriada Con motor o rueda de trinquetes, y

-

independiente.

El primer grupo est muy generalizado en las perforadoras ligeras, mientras que el segundo se aplica a barrenos de gran dimetro donde es necesario un par mayor. En la rotacin por barra estriada el pistn tiene forma tubular y rodea a sta por medio de la tuerca de rotacin. La barra va conectada a los componentes estticos del martillo por medio de trinquetes Fig. 2.13. El extremo frontal del pistn tiene unas estras planas que engranan con las del buje de rotacin. Esto hace que durante la carrera de retroceso el pistn gire arrastrando en el mismo sentido al varillaje. Las barras estriadas pueden elegirse con diferentes pasos, de tal manera que cada 30, 40 50 emboladas se consiga una vuelta completa. En la rotacin por rueda de trinquetes, el extremo frontal del pistn tiene estras rectas y helicoidales. Las 30

Este tipo de perforadoras disponen de unos engraajes cilndricos para transmitir el movimiento de rotacin a las varillas. Fig. 2.14. El campo de aplicacin de las perforadoras neumticas de martillo en cabeza, se ha ido estrechando cada vez ms hacia los barrenos cortos con longitudes entre 3 y 15 m, de dimetro pequeo de 50 mm a 100 mm, en rocas duras y terrenos de difcil acceso. Esto se ha debido fundamentalmente al alto consumo de aire comprimido, unos 2,4 m 3/min por cada centmetro de dimetro y a los fuertes desgastes que se producen en todos los accesorios, varillas, manguitos, bocas, etc., por la frecuencia de impactos y forma de la onda de choque transmitida con pistones de gran dimetro. No obstante, las perforadoras neumticas presentan an numerosas ventajas: Gran simplicidad Fiabilidad y bajo mantenimiento

ENTRADA DEL A.RE DE ACCIONAM'ENTO MOTOR DE ROTACION y MARTILLO MOTOR DE AIRE REVERSIBLE

DEJ

nes de aire comprimido en explotaciones subterrneas. 3.2. Perforadoras hidrulicas A finales de los aos sesenta y comienzo de los setenta, tuvo lugar un gran avance tecnolgico en la perforacin de rocas con el desarrollo de los martillos hidrulicos. Una perforadora hidrulica consta bsicamente de los mismos elementos constructivos que una neumtica. Fig. 2.15. La diferencia ms importante entre ambos sistemas estriba en que en lugar de utilizar aire comprimido, generado por un compresor accionado por un motor diesel o elctrico, para el gobierno del motor de rotacin y para producir el movimiento alternativo del pistn, un motor acta sobre un grupo de bombas que suministran un caudal de aceite que acciona aquellos componentes.

ENGRANAJE REDUCTOR

Figura 2.14. Vista seccionada de una perforadora neumtica con mecanismo de rotacin independiente.

(Compair-Holman).

-

-

Facilidad de reparacin Precios de adquisicin bajos, y

Posibilidad de utilizacin de antiguas instalacio-

ENTRADA DE FLUIDO DE BARRIDO

r

CONTROL DE PARAMETROS DE PERFORACION

ADAPTADOR .~

i

~I ! fi~11

MOTOR DE ROTAC"~

Figura 2.15. Seccin de un martillo hidrulico (Atlas Copco).

Seguidamente se describe el principio de funcionamiento de un martillohidrulico de un equipo de superficie, Fig. 2.16 a 2.19.

acumulador de alta presin (HP) (5) comprimiendo el nitrgeno y de este modo acumulando energa. En esta posicin el aceite en la parte trasera del cilindro escapa a travs del orificio (6) hacia el orificio de retorno (7). El acumulador de baja presin (LP) (8) funciona de la misma manera evitando carga de choque en las mangueras de retorno.

Figura 2.16. El pistn se encuentra en el extremo delanterode su carrera.

1. El pistn se muestra estando en el extremo delantero de su carrera. El aceite hidrulico penetra a la perforadora a travs del orificio de alta presin (1) Y fluye hacia la parte delantera de cilindro (2). Empuja al pistn hacia atrs y al mismo tiempo entra en la cmara del distribuidor (3) empujando al distribuidor (4) a la posicin trasera. Una parte del caudal del aceite entra al

Figura 2.17. El pistn se desplaza hacia atrs.

2. Cuando el pistn se ha desplazado hasta el puntoen que el borde (9) ha cubierto los orificios (6), el orificio (10) se habr abierto y la presin que acta sobre el lado de la alta presin detiene el mbolo. El choque de 31

presin causado por el mbolo es absorbido en el acumulador (5). Despus de esto, el borde (11) deja al descubierto los orificios (12) y el aceite presurizado en la cmara del distribuidor escapa hacia el conducto de retorno. Antes de esto, el borde (13) impide el flujo de aceite hacia la cmara del distribuidor,y la presin en la parte delantera del cilindrofuerza al mbolo hacia atrs.

TABLA 2.4. CARACTERISTICAS MEDIAS DE MARTILLOS HIDRAULlCOS

PRESION DE TRABAJO (MPa) POTENCIA DE IMPACTO (kw) FRECUENCIA DE GOLPEO (golpes/min) VELOCIDAD DE ROTACION (r/min) PAR MAXIMO (Nm) CONSUMO RELATIVO DE AIRE (m'/min cm dim)

7,5 6

- 25

- 20- 5000

2000O

- 500

100 - 18000,6

- 0,9

Segn la potencia disponible del martillo se seleccionar el dimetro del varillaje. En la Tabla 2.5, se recogen unas recomendaciones generales.

Figura 2.18. El pistn se encuentra en la posicin trasera.

3. A medida que la presin se reduce en la cmaradel distribuidor, la alta presin dominante en la cara posterior del distribuidor (4) lo fuerza hacia adelante y de este modo se cubren los orificios de escape (6). En esta posicin el aceite puede fluir hacia la parte trasera del cilindro a travs de un orificio de presin (14) entre el distribuidor y el cuerpo. Al mismo tiemp.o el aceite puede fluir a travs del orificio (10) hacia el cilindro.DIAMETRO DEL VARillAJE (mm-pulg)

TABLA 2. 5

POTENCIA DISPONIBLE DEL MARTillO (kW)

25,4-1" 31,7-1'/4" 38,1-1';2' 44,5-13/4" 50,8-2"

8-12 10-14 14-16 16-18 18-22

Las razones por las que la perforacin hidrulica supone una mejora tecnolgica sobre la neumtica son las siguientes:Menor consumo de energa:.

Figura 2.19. El pistn se mueve hacia adelante.

4. El pistn se mueve hacia adelante debido al desequilibrio de fuerzas predominante en las partes delanteras y traseras del cilindro. Al mismo tiempo el acuniulador de alta presin (HP) descarga aceite al conducto de alta presin (HP) y de este modo aupenta el flujo de aceite al cilindro. Poco antes del punto de percusin del pistn, el borde (12) permite el flujo de aceite hacia la cmara del distribuidor y el desequilibrio de fuerzas entre las caras del distribuidor lo mueven a la posicin trasera cerrando la alimentacin de aceite a la parte posterior del cilindro. Despus del instante de percusin comienza el ciclo de retorno del pistn de la manera indicada anteriormente.

-

Las perforadoras hidrulicas trabajan con fluidos a presiones muy superiores a las accionadas neumticamente y, adems, las cadas de presin son mucho menores. Se utiliza, pues, de una forma ms eficiente la energa, siendo slo necesario por metro perforado 1/3 de la que se consume con los equipos neumticos. Menor coste de accesorios de perforacin: La transmisin de energa en los martillos hidrulicos se efecta por medio de pistones ms alargados y de menor dimetro que los correspondientes a los martillos neumticos. La fatiga generada en el varillaje depende de las secciones de ste y del tamao del pistn de golpeo, pues, como se observa en la Fig. 2.20, la forma de la onda de choque es mucho ms limpia y uniforme en ios martillos

hidrulicos que en los neumticos, donde se producen niveles de tensin muy elevados que son elorigen de la fatiga sobre el acero y de "una serie de ondas secundarias de bajo contenido energtico. En la prctica, se ha comprobado que la vida til del varillaje se incrementa para las perforadoras hidrulicas aproximadamente un 20%. Mayor capacidad de perforacin: Debido a la mejor transmisin de energa y forma

Aunque en unequipos

la introduccin de estos fue ms fuerte en trabajos subterrneos, con principio

el tiempo, se ha ido imponiendo en la perforacin de superficie complementando a las perforadoras neumticas. Las caractersticas de estas perforadoras se resumen en la Tabla 2.4.32

B~0I]]][11==:Jc:m:=:c::JPistn de martillo en cabeza hldralico Varillaje

ms ergonmico de los equipos, haciendo que las condiciones generales de trabajo y de seguridad sean mucho ms favorables.

lAd

-

-

~WL--CJPistn de martillo en cabeza neumtico

B~Varillaje

Mayor elasticidad de la operacin: Es posible variar dentro de la perforadora la presin de accionamiento del sistema y la energa por golpe y frecuencia de percusin. Mayor facilidad para la automatizacin: Estos equipos son mucho ms aptos para la automatizacin de operaciones, tales como el cambio de varillaje, mecanismos antiatranque, etc. los inconvenientes que presentan

t

\:

d;z:zj =Enego contenido en un golpe A = Nivel de tensin aceptable B = Exceso de tensin que provoca fatiga en el varillaje

Por el contrario, son:

-

Mayor inversin inicial.

Reparaciones ms complejasy costosas que en lasperforadoras neumticas, requirindose una mejor organizacin y formacin del personal de mantenimien.to.

Figura 2.20.

Ondas

de choque

en martillos

hidrulicos

neumticos.

y

4. PERFORACION CON MARTillO ENFONDOde la onda, las velocidades de penetracin de las perforadoras hidrulicas son de un 50 a un 100% mayores que las que los equipos neumticos. Mejores condiciones ambientales: Los niveles de ruido en una perforadora hidrulica son sensiblemente menores a los generados por una neumtica, debido a la ausencia del escape de aire. Principalmente, esto es as en el campo de las bajas frecuencias, donde los auriculares protectores son menos eficientes. Adems, en las labores subterrneas no se produce la niebla de agua y aceite en el aire del frente, mejorando el ambiente y la visibilidad del operario. Por otro lado, la hidrulica ha permitido un diseo130

Estos martillos se desarrollaron en 1951 por Stenuick y desde entonces se han venido utilizando con una amplia profusin en explotaciones a c'ielo abierto de rocas de resistencia media, en la gama de dimetros de 105 a 200 mm, aunque existen modelos que llegan hasta los 915 mm. La extensin de este sistema a trabajos subterrneos es relativamente reciente, ya que fue a partir de 1975 con los nuevos mtodos de Barrenos Largos y de Crteres Invertidos cuando se hizo popular en ese sector. En la actualidad, en obras de superficie este mtodo de perforacin est indicado para rocas duras y dimetros superiores a los 150 mm, en competencia con la rotacin, debido al fuerte desarrollo de los equipos hidrulicos con martillo en cabeza.

-CAMISA

20

-PISTON

M.F. CON VALVULA

(1.968)

10

M.F. CON VALVULA

(1.960)

lf

M.F. CON VALVULA

(1.955)

-

PORTABOCAS 0,5 1;5 2 2,5 PRESION DEL AIRE (MPa)

Figura 2.24. Velocidad de penetracin para diferentes martillos en fondo y presiones de aire (Ingersoll-Rand).-BOCA

Si se analiza la frmula de la potencia proporcionada por una perforadora rotopercutiva:

PMFigura 2.23. Martillo en fondo (Atlas Capeo).

Pm 1.5 X A P1,5 X I P05 , m p 0,5

34

siendo: Pm= Ap = Ip = mp = Presin del ai re que acta sobre el pistn. Area efectiva del pistn. Carrera del pistn. Masa del pistn.

se ve que la presin del aire es la variable que tiene una mayor influencia. sobre la velocidad de penetracin obtenida con un martillo en fondo. Actualmente, existen equipos sin vlvulas que operan a altas presiones, 2 a 2,5 MPa, consiguiendo altos rendimientos. Con el fin de evitar la percusin en vaco los martillos suelen ir provistos de un sistema de proteccin que cierran el paso del aire al cilindro cuando la boca no se apoya en la roca del fondo del taladro. La sujecin de las bocas al martillo se realiza por dos sistemas: el primero, a modo de bayoneta, consiste en introducir la boca en el martillo y girarla en un sentido, normalmente a izquierda, quedando as retenida; el segundo, mediante el empleo de elementos retenedores, semianillas o pesadores. Cuando se perfora una formacin rocosa en presencia de agua, debe disponerse de un compresor con suficiente presin de aire para proceder en determinados momentos a su evacuacin. De lo contrario, el peso de la columna de agua har caer el rendimiento de perforacin. En cuanto al empuje que debe ejercerse para mantener la boca lo ms en contacto posible con la roca, una buena regla prctica es la de aproximarse a los 85 kg por cada centmetro de dimetro. Un empuje excesivo no aumentar la penetracin, sino que acelerar los desgastes de la boca y aumentar los esfuerzos sobre el sistema de rotacin. Cuando se perfore a alta presin se precisar al principio una fuerza de avance adicional para superar el efecto de contraempuje del aire en el fondo del barreno, sucediendo lo contrario cuando la profundidad sea grande y el nmero de tubos tal que supere al peso recomendado, siendo necesario entonces que el perforista accione la retencin y rotacin para mantener un empuje ptimo sobre la boca. Las velocidades de rotacin aconsejadas en funcin del tipo de roca son:

Adems del aire, como fluido de barrido puede emplearse el agua y la inyeccin de un espumante. ste ltimo, presenta diversas ventajas ya que se consigue una buena limpieza en grandes dimetros con aire insuficiente, con velocidades ascensionales ms bajas (hasta 0,77 mis), y permite mantener estables las paredes de los taladros en formaciones blandas. Este mtodo es especialmente indicado en la perforacin de pozos de agua en terrenos poco consolidados. La lubricacin de los martillos en fondo es de vital importancia. Los consumos de aceite varan con los diferentes modelos, pero como regla general se recomienda 1 litro de aceite por hora por cada 17 m31 min de caudal de aire suministrado. Cuando se perfora a alta presin se aconseja un consumo mnimo continuo de 1 I/h. Si se emplea agua o espumantes debe aumentarse la cantidad de aceite. En cuanto al tamao de los tubos, stos deben tener unas dimensiones tales que permitan la correcta evacuacin de los detritus por el espacio anular que queda entre ellos y la pared del barreno. Los dimetros recomendados en funcin del calibre de perforacin se indican en la Tabla 2.7.

TABLA 2.7

DIAMETRO PERFORACION 102-115 127-140 152-165 200

DE (mm)

DIAMETRO TUBERIA 76 102 114 152

DE LA (m m)

Las ventajas de la perforacin con fondo, frente a otros sistemas, son: -

martillo

en

La velocidad de penetracin se mantiene prcticamente constante a medida que aumenta la profundidad de los barrenos. Fig. 2.25.

-

.

TABLA 2.6I TIPO DE ROCA VELOCIDAD

"DE ROTACION (r/min)

Los desgastes de las bocas son menores que con martillo en cabeza,debido a que el aire de accionamiento que pasa a travs de la boca limpiando la superficie del fondo asciende eficazmente por el '" pequeo espacio anular que queda entre la tubera y la pared del barreno. Vida ms larga de los tubos que de las varillas manguitos. y

Muy blandaBlanda Media Dura

40 30 20 1O -

60 50 40 30

-

Desviaciones de los barrenos muy pequeas, por lo que son apropiados para taladros de gran longitud. La menor energa por impacto y la alta frecuencia de golpeo favorecen su empleo en formaciones descompuestas o con estratificacin desfavorable. Se precisa un par y una velocidad de rotacin menores que en otros mtodos de perforacin. No se necesitan barras de carga y con carros de pequea envergadura es posible perforar barrenos de gran dimetro a profundidades elevadas. 35

Como regla prctica puede ajustarse la velocidad de rotacin a la de avance con la siguiente expresin:Velocidad rotacin penetracin (m/h) (r/min)

-

=

1,66

x Velocidad

100 90 80

I MARTilLO EN FONDO

1

El consumo de aire es ms bajo que con martillo en cabeza neumtico. El nivel de ruido en la zona de trabajo es inferior estar el martillo dentro de los barrenos. los inconvenientes al

-

z

~

U ~ 40 f---w MARTillO 5,9

> 700

>15

< 44

'--

METODO

DE PERFORACJON

< "" .!"

~

MARTillO

EN CABEZA

HIORAULlCO

;;;"O ou...'" w z w "~ 100a MARTILLO EN CABEZA NEUMATICO

No obstante, se ha de tener en cuenta que una roca bajo una misma denominacin litolgica puede presentar distintas caractersticas de dureza. Por ello, los ndices ah reflejados son meramente orientativos.

'--

'--

:i

C. Indice de perforabilidad

Ip

"--

;3 u ,o '3 w>

MARTillO

EN FONDO ALTA PRESION (2S boc)

ROTATIVA MARTillO EN FONDD eONVENeloNALC.IOboc! "

Este ensayo se realiza actualmente en la E.T.S. de Ingenieros de Minas de Madrid y trata de reproducir el fenmeno real de rotopercusin mediante el empleo de una taladradora elctrica que se desliza sobre un bastidor ejerciendo un empuje constante sobre la roca a estudiar. Las muestras, con el tamao de un puo, se preparan pulimentando una superficie plana y a continuacin se introducen en una cazoleta con yeso para su sujeccin, dejando la cara plana paralela a la base. La broca empleada tiene un dimetro de 9,5 mm y con ella se hacen 3 4 taladros durante 3 5 segundos, que se controlan con un temporizador elctrico. El polvo producido durante la perforacin se elimina soplando con aire comprimido. Una vez ensayadas las muestras se mide con una sonda micromtrica la longitud de cada taladro oeteniendo el valor medio de las mismas. A continuacin, el Indice de Perforabilidad Ip se calcula como la velocidad de penetracin expresada en pulgadas por minuto. A partir del trabajo de investigacin llevado a cabo por J. Bernaola (1985) en el que se correlacionan, en diversos dimetros y tipos de bocas, las velocidades

'--

"-

,.

'"o INDleE DE PERFDRABILlDAD (DRI)

'--

I

TAeONITA I MAGNETITA

I ~I IGNEIS GRANITleoGNEIS

I eUARelTA IDIABASA

I

'--

I

[

PEGMATITA

"'--

Figura 2.55, Velocidades de penetracin obtenidas en diferentes condicio/].es' de trabajo. .

En la Tabla 2.11 se recoge, para diferentes tipos de rocas, una equivalencia aproximada entre la resistencia a la compresin, los ndices de dureza Mohs y Vickers, y el ndice de perforabilidad DRI.

'----

52

'--

reales de penetracin con martillos de diferentes caractersticas con los ndices Ip obtenidos sobre las mismas rocas, este ensayo sirve para predecir el rendimiento obtenido con un equipo determinado dando los siguientes pasos: 1. 2. Obtencin Definicin forador. del ndice lp de la roca en laboratorio. de las caractersticas del martillo per-

cin media que resulta puede as calcularse en funcin del nmero de varillas empleado, teniendo en cuenta una cada media del rendimiento del 9% equivalente a la prdida de energa:

vp

m

= -x vpNy

1 - 0,91Nv 0,09

donde: Eg = Energa por golpe (libras x pie). ng = Nmero 3. de golpes por minuto.Lr

Determinacin de la longitud de filoherramienta de perforacin. llas se cumple: Lr = 1,7 D donde:

de la

Ny = Nmero de varillas utilizado. VP = Velocid2.d de penetracin conseguida la primera varilla.

con

Para bocas de pastiCuando se perfora corrmartillo en fondo, la velocidad de penetracin prcticamente permanece constante con la profundidad, pues las tuberas no constituyen el medio fsico de transmisin de la energa de percusin, ya que slo se utilizan para canalizar el aire de accionamiento y efectuar la rotacin. Una vez obtenido el valor medio de la velocidad de de penetracin se pasa a corregir sta por los tiempos muertos o no productivos derivados de: Desplazamientos otro. Posicionamiento de la mquina de un barreno a

-

0,7

D = Dimetro Si se utilizan penetracin se multiplica 4.

de la boca la velocidad

bocas de botones

obtenida para el dimetro estudiado por 1,15 Y con bocas de bisel por 0,85. de penetracin mediante la

Clculo de la velocidad frmula:

y emboquillado.de varillas. atascos, etc.

Cambio y extraccin Limpieza del barreno,

vp=

Egxng

1

x10-6(51

xl

p

+90)

-

D x Lr2

Si suponemos unos equipos de superficie, con o sin cambiador automtico de varillas, tendremos los siguientes tiempos medios:

10.

VELOCIDAD

MEDIA DE PERFORACION TABLA 2.12.

La velocidad media alcanzada por una perforadora en un perodo de trabajo largo depende, al margen de la eficiencia de organizacin, de los siguientes factores:Profundidad Tiempos de los barrenos.

CAMBIODEVARILLA MANUAL AUTOMATICO 0,9 min 1,0 min 1,9 min

Tiempo de poner varillaTiempo de quitar varilla total de varilla

1,0 min 1,5 min 2,5 min

de maniobras. Tiempo

La longitud de los barrenos marca el nmero de vgrillas y empalmes de la sarta de perforacin, que afectan a los ritmos de avance, pues existen'prdidas de energa debidas a: Falta de rigidez en los acoplamientos, que dan lugar a unas prdidas del 3% de la energa transmitida por efectos de las reflexiones y del 5,S % aproximadamente por fricciones que se transforman en calor. Rozamientos internos con elevacin subsiguiente de la temperatura del varillaje, al actuar ste como vehculo de transmisin de las ondas de choque. Las prdidas se estiman entre un 0,2 y 0,4% por cada varilla. Las cifras indicadas baja con martillo slo son vlidas cuando se trade penetra-

Los tiempos restantes de maniobra son: TABLA 2.13.OPERACION

TIEMPO 3 min 1 min 1 min

-

Cambio

de