Perforadoras con martillo en fondo

(DTH)

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Inacap IquiqueIngeniería en MinasAire comprimido y perforación

Nombre Alumno (s):

Nombre Profesor: Fecha: 02/04/2012

INDICE

1. INTRODUCCIÓN

2. HISTORIA

3. CARACTERÍSTICAS

3.1 Perforadora

3.2 Accesorios

3.3 Requerimientos de aire comprimido

3.4 Características de los equipos de montaje

4. APLICACIÓN

4.1 Aplicaciones en canteras o minería a tajo abierto

4.2 Aplicaciones en minería subterránea

5. CONCLUSIONES

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1. INTRODUCCIÓN

La idea de aprovechar al máximo los efectos básicos en la perforación de roca como son la rotación y la percusión llevaron a los creadores de la perforación “Down the hole” a diseñar una perforadora que pueda introducirse en el taladro con objeto de trasladar al fondo del taladro la energía desplegada por cada golpe generado por el pistón de la perforadora.

Lo mencionado anteriormente logró de manera inusitado aumentar los rendimientos habituales de perforación alcanzados, especialmente en rocas duras.

A casi 36 años de la creación de los modelos iniciales mucho se ha avanzado al presente y es precisamente en relación a estas últimas experiencias y aplicaciones tanto en el País como en el extranjero que motivan al suscrito a presentan este trabajo.

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2. HISTORIA

Las perforadoras “Down the hole” inicialmente se aplicaron en perforación de

taladros de voladura en canteras y minas a tajo abierto, especialmente en

aquellas donde la perforación rotativa era de alto costo operativo. En esta primera

etapa los taladros no alcanzaron más de 30 pies de longitud. Posteriormente en

perforación de pozos para agua se lograron alcanzar fácilmente longitudes de 120

pies, constituyendo entonces un gran suceso. Sin embargo, innovaciones

implementadas con éxito en las perforadoras rotativas relegaron a las

perforadoras Down the hole a aplicaciones en rocas duras. Asimismo, algunas

pérdidas de la perforadora por atascamiento en los taladros, llevaron a los

fabricantes a modificar los diseños originales con el fin de asegurar la

recuperación del equipo.

Al presente se ha optimizado la operación de la perforadora y se le utiliza tanto en

labores de superficie como en labores subterráneas.

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3. CARACTERÍSTICAS

3.1 Perforadora

Podemos describir la perforadora exteriormente como un cilindro de acero que

tiene acoplado por un extremo, la broca y por el otro se encuentra acoplado

mediante enrosque a la primera barra de la columna de perforación, columna que

girará mediante accionamiento hidráulico o neumático.

Generalmente apreciaremos que las barras de perforación son de diámetro

ligeramente menor al de la perforadora y ésta a su vez también es menor en

diámetro que la broca. Como se podrá apreciar en el gráfico Nº 1, esta relación

directa con el caudal de aire requerido para la evacuación de los detritos

productos de la perforación.

Como acabamos de anotar la perforadora es accionada por aire comprimido que

a su vez conduce a través de una manguera, aceite en suspensión para lubricar

las partes móviles de la perforadora. Secuencialmente, el aire comprimido se une

al agua de perforación, pues sólo existe un conducto para llevar estos tres

Ingredientes básicos hasta la perforadora.

Al examinar el diseño interior de la perforadora — podremos apreciar que existen

sólo dos partes móviles; el pistón y la válvula check. La válvula - check regula el

ingreso del aire a la máquina y a su vez no permite el ingreso de agua u otro

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agente por contraflujo. Este sistema hace posible la aplicación en perforación

submarina o en presencia de la napa freática.

3.2 Accesorios de perforación

El sistema Down the hole de perforación requiere de accesorios básicos que han

de constituir la columna de perforación, que en ciertas aplicaciones ha alcanzado

longitudes de hasta 600 pies (183.5 mts.)

Esta columna se compone de los siguientes elementos

3.2.1. Brocas

La broca que generalmente está al Inicio de la columna de perforación es

considerada pieza básica - de ésta y constituye un agente de costo Importante

dentro del costo operativo que genera este sistema de perforación.

La técnica de perforación desarrollada en el Canadá aconseja la utilización de un

juego de 4 a 6 — brocas para un determinado número de pies programa dos.

Mediante este método se ha logrado obtener vidas de brocas del orden de 2.000

pies en terrenos duros, gracias al reacondicionamiento o afilado a que son

sometidos una vez que han cumplido un determinado número de pies perforados.

Por este motivo es necesario contar con un juego de brocas que se van rotando

hasta finalmente descartarse — por desgaste el total de componentes en conjunto.

El sistema Down the hola utiliza brocas de dos tipos, las tradicionales tipo cuchilla

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en “X” cuya aplicación se recomienda para terrenos de mediana dureza y los

recientemente desarrollados de botones, de eficiente desempeño en rocas muy

duras. Las del tipo en “X” generalmente requieren afilado y los del tipo da botones

reacondicionamiento. La selección correcta del tipo de broca a utilizarse de

acuerdo al terreno a perforar constituye el primer paso importante para lograr una

excelente velocidad de penetración y el máximo de vida posible - de broca. No

está demás señalar que a selección de los accesorios de perforación comienza

con la — elección del diámetro de taladro que se desea perforar.

3.2.2. Perforadora Down the hole

Constituye el segundo elemento de la columna y va situada y acoplada después

de la broca. Un correcto y cuidadoso acoplamiento es recomendado para evitar

dañar a la perforadora.

3.2.3. Cabezal posterior de la perforadora

(Backhead)

Está situada inmediatamente después de la perforadora y tiene diferente sistema

de rosca en ambos — extremos. La de forma cónica es la del tipo API y constituye

el punto de acoplamiento con las barras de perforación, que lógicamente deberán

tener este mismo tipo de rosca.

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3.2.4 Barras de perforación

Las barras o barrenos de perforación varían en longitud y en diámetro de acuerdo

a la aplicación y al diámetro de hueco que se desea perforar.

Las aplicaciones en superficie requieren generalmente barras entre 10 y 20 pies

de longitud y pueden ir desde 3” a 27” en diámetro. Para aplicaciones en minería

subterránea la longitud de estas barras se reducen a tramos de 5 pies y en

diámetro varían entre 3” y 4 1/2”.

Como se puede apreciar en el gráfico (fig. 4) la barra es hueca y posee una rosca

macho y otra hembra en ambos extremos.

Este tipo de accesorio, agente de costo también portante dentro del costo

operativo, generalmente se descarta por daños irreparables en las roscas de

empalme, producidas mayormente por acoplamientos violentos o imperfectos.

Asimismo, en ciertos casos estas barras sufren doblamiento perdiendo la rectitud,

bondad indispensable para obtener taladros rectos.

Se estime en 30.000 pies es promedio la vida de una barra. Sin embargo, se

considere que este record irá incrementándose de acuerdo a la mayor habilidad

que logre el operador al manipularlos.

3.3 Requerimientos de aire comprimido

Las perforadoras Down the hole son eminentemente de percusión y su

funcionamiento y rendimiento son normados por el caudal y presión de aire

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suministrados. Estos dos factores afectan la operación de la perforadora si están

fuera de los rangos considerados como óptimos.

Estar debajo del límite inferior ocasiona una pobre velocidad de penetración y una

deficiente evacuación de los detritos de perforación.

Por otro lado, operar sobre un límite considerado máximo, pese a originar una

excelente penetración y perfecta limpieza, puede derivar en una deficiente

lubricación y como consecuencia de esto un rápido deterioro de la perforadora.

Para la determinación del caudal y presión de aire necesario se tiene que

considerar el consumo es teórico de la perforadora, establecidos por el diámetro y

la carrera del pistón y el número es golpes por minuto teórico diseñados, para

obtener un rendimiento proyectado esperado. El nivel de presión de aire

seleccionado será de acuerdo al caudal calculado y en principio deberá ser capaz

de movilizar al pistón al número de golpes proyectados. Una mayor presión a este

último y lógicamente se incrementará la velocidad de penetración.

En el gráfico Nº 3 puede observarse como se logra incrementar la velocidad de

penetración en cambios tres veces la obtenida operando con presión de aire a 100

PSIG, en este caso como puede apreciarse se deberá operar con aire a 200 PSIG

de presión. Como pueden apreciar en el gráfico no existen diferencias notables

entre los equipos que utilizan el sistema Down the hole y el sistema rotativo, dado

que se aprovecha su propio sistema de rotación y su capacidad de empuje a la

columna.

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En el caso de los Track Drill se podrán apreciar diferencias saltantes pues varía el

diámetro de la columna de perforación y la voluminosa perforadora roto percutiva

ha sido reemplazada esta vez por un cabezal rotativo de similares dimensiones.

Este cabezal está sujeto a una torre guía de acero y recorrerá a todo largo de ella

conforme lo hacía la perforadora roto percutiva cada vez que lograba perforarse

un tramo igual a la longitud del barreno.

3.4.2 Equipos para labores subterráneas

Contrastando con el gran tamaño a las perforadoras rotativas donde puede

instalarse la perforadora Down the Hole, muchos fabricantes americanos y

europeos han diseñado y fabrican un equipo bastante compacto capaz de

movilizarse en las estrechas vías y aún ser fácilmente introducido en jaulas de

pique sin dificultad. Este equipo que como muchos denominan “Jumbo” sin ser el

tradicional que conocemos, se parece más a un track drill (perforadora montada

sobre orugas) pero aun más compacto pues solo tiene 1.40m de alto en posición

de traslación.

El equipo es exclusivamente accionado por aire comprimido, aunque constituye

una unidad neumática hidráulica, pues todos los movimientos del equipo son

generados hidráulicamente.

La combinación “Jumbo” down the hole perfora muy eficientemente taladros entre

4” y 12” de diámetro y hasta 185m (600 pies) de longitud, dependiendo de las

condiciones de roca.

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La descripción general del Jumbo DHD que se fabrica actualmente es la de un

sólido chasis montado sobre dos orugas o cuatro neumáticos, conjunto que está

acoplado y sostiene una torre guía de perforación. Cuatro gatas hidráulicas nivelan

y estabilizan la unidad durante la perforación. Un motor neumático acciona la

bomba hidráulica que a su vez acciona todos los motores hidráulicos que

generan los movimientos del equipo.

Los motores hidráulicos básicamente movilizan las orugas, hacen girar el cabezal

rotativo y proporcionan la fuerza de empuje a la columna de perforación.

La unidad está equipada con una bomba de pistón para el suministro de agua con

suficiente presión con el fin de deprimir el polvo durante la perforación.

Todos los controles e instrumentos están localizados en un lugar conveniente para

una cómoda operación del equipo.

El peso operativo de la unidad promedio es de 1500 Kg y su velocidad de

traslación máxima es de 11Km/H. Algunas bondades del equipo que podemos

resaltar son las siguientes:

a. Posee vigorosa construcción y gran estabilidad durante la perforación.

b. Puede trabajar con alta presión de aire para obtener mayor velocidad

de penetración.

c. Durante la perforación no se sobrepasan los niveles de ruido

establecidos como tolerables para el trabajador minero.

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d. Su operación es sencilla y requiere como mínimo el concurso de dos

operadores.

e. Facilidad de maniobra la cual permite un rápido posicionamiento en el

lugar de trabajo.

La variedad de aplicaciones que se ha logrado obtener con este equipo lo ha

llevado a ser considerado como adelanto tecnológico dentro de la gran gamma de

equipo minero en el último quinquenio.

En el siguiente capítulo veremos en detalle sus aplicaciones

4.- APLICACIONES DEL SISTEMA DOWN THE HOLE DE PERFORACIÓN

4.1.- Aplicaciones en superficie.

Canteras y minas a tajo abierto

Sabemos que las primeras aplicaciones del sistema down the hole fue en la explotación de canteras mediante la perforación de taladros de voladura, posteriormente en esta misma aplicación se mejoraron los rendimientos de perforación en las minas de tajo abierto.

Es preferible la aplicación de perforadoras con este sistema (DTH) en la perforación de rocas duras y abrasivas. Los diámetros de taladros más comunes que se pueden encontrar varían entre 4” y 8”; sin embargo se está introduciendo con éxito, perforadoras para aplicaciones de hasta 3” de diámetro.

Comparativamente al sistema DTH, el rotativo pese al gran desarrollo alcanzado, no ha logrado alcanzar las velocidades de penetración que el DTH ha alcanzado en rocas duras. Existe una extraordinaria diferencia de velocidades de penetración

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en la aplicación del sistema rotativo, que van desde los 225 m/H (11pies/min) en terrenos bastantes suaves a velocidades tan pobres de 7m/h en rocas muy duras.

En el sistema DTH la diferencia de velocidades de penetración entre las rocas más suaves y más duras no son muy significativas. Estas velocidades alcanzan entre 15m/H hasta 45m/H dependiendo de la presión de aire de operación y lógicamente del caudal de aire suministrado.

Dada la fácil instalación de las perforadoras DTH en actuales unidades rotativas montadas sobre orugas o neumáticos, muchos usuarios tienen ambas opciones y utilizan cada tipo de perforación de acuerdo a la calidad del terreno que desean perforar, con el objeto de alcanzar siempre record constantes de penetración.

Similar apreciación podemos dar para el caso de los Track Drills, aunque en este caso los diámetros de taladro preferidos varían de 3” a 5”.

Las velocidades de penetración del sistema DTH comparadas a las obtenidas por las perforadoras roto percutivas montadas en las unidades Track Drill no lograron equipararse. Las perforadoras roto percutivas mantendrán supremacía y más aún las perforadoras hidráulicas. Sin embargo debe de considerarse que lo anteriormente establecido es solo para longitudes de perforación no mayores a 15m. La aplicación en canteras y en minas a tajo abierto será siempre ventajosa para perforadoras DTH, porque genera menores costos operativos al otorgar menores índices de vida de barrenos y brocas y por la facilidad en su mantenimiento.

Resumiendo todo lo que nos ocupa en esta parte del capítulo de aplicaciones a continuación establecemos un cuadro comparativo entre los sistemas a que nos referimos de acuerdo a diferentes puntos característicos a los tres tipos:

Características Perforación DTH Perforación TH Perforación rotativa

Velocidad de penetración

Mantiene la velocidad de penetración constante a toda profundidad.

Se obtiene una excelente velocidad de penetración con menor fuerza de empuje a la columna de

Alta velocidad de penetración inicial que decae con cada barreno adicionado

Requiere una mayor fuerza de empuje para poder equiparar la velocidad de penetración del sistema DTH

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perforación. Una unidad liviana puede perforar diámetros de taladro más grandes

Requerimiento de aire

Utiliza menor cantidad de aire debido a que el escape de la perforadora ayuda a limpiar el taladro. Puede utilizar aire a alta presión para incrementar la velocidad de penetración. Requiere ligeramente menor cantidad de aire que las rotativas.

Utiliza más aire, pues el requerido por la limpieza hay que adicionar al que consume la perforadora. La alta presión de aire es prohibitiva para este sistema, pues daña la perforadora y reduce notablemente la vida de los barrenos y accesorios.

Requiere una gran cantidad de aire o lodo para la limpieza, dependiendo mucho del diámetro de broca y barrenos.

Niveles de ruido El bajo nivel de golpes por minuto desarrollado por la perforadora así como el ruido de escape es reducido notablemente al ser silenciados dentro del taladro.

Requiere un silenciador en el escape de la perforadora, si el nivel de ruido es crítico. El ruido de impacto es difícil de controlar.

Muy bajo, sólo el equipo genera ruido no la perforación.

Accesorios de perforación

No requiere de manguitos adaptadores (shank adapters) ni coplas. Pues utiliza barras roscadas estándar API.

El costo operativo por barrenos es bajo dado que se utiliza un bajo nivel de empuje y de

Utiliza manguitos adaptadores y coplas con rosca de continuo deterioro y frecuente reemplazo.

La gran fuerza de empuje que se aplica, así como el alto torque de rotación contribuye a provocar una menor vida de barrenos

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torque

Mantenimiento Tiene menor número de partes móviles. Toda la energía va aplicada sobre la roca mas no sobre la perforadora ni en la unidad donde va instalada.

Posee intervalos de mantenimiento mas largos por el bajo nivel de la fuerza de empuje y la mínima vibración de la máquina

La unidad donde va instalada la perforadora debe resistir el fuerte impacto de perforación y vibración que genera la perforadora.

Altos niveles de vibración donde el mayor nivel de fuerza de empuje obliga a tener un frecuente intervalo de mantenimiento.

Aplicación Perforación de taladros de gran profundidad en rocas duras. Aplicaciones donde la broca tricónica rotativa tendría vida muy corta y un excesivo costo.

Desviación de los taladros a grandes profundidades.

Perforación de taladros de gran profundidad en rocas suaves a media dureza

4.2.- Aplicaciones en minería subterránea

La aplicación del sistema DTH de perforación en minería subterránea ha tenido un gran desarrollo y merece destacarse, pues ha incidido notoriamente en el mejoramiento de tradicionales métodos de minado, así como en aumentar la rapidez de ejecución de labores auxiliares que demanda una operación subterránea.

A continuación hacemos una descripción de estos diferentes aspectos:

4.2.1.- Servicios auxiliares

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Nos referimos en primer término siempre al equipo de perforación denominado Jumbo DHD mostrado y descrito en el subcapítulo 3.4.2, pues justamente algunas bondades de este equipo permite lograr en forma rápida y segura la ejecución de taladros de servicio, labor que ha permitido elevar la productividad en una operación minera.

Seguidamente menciona remos algunas aplicaciones conocidas:

Cuadro comparativo:

Aplicabilidad de diferentes métodos para hacer chimeneas

Stoper convencional

Stoper jaula trepadora

Raise borer Jumbo/DHD

Alcance optimo

Mts-long.

Chimeneas

30 50 200 70

Max. Alcance

Económico

Mts-long.

Chimenea

50 100 400 100

Costo directo por metro en % comparando a raise borer

40% 50% 100% 40%

Inclinación máxima

45º 70º 65º 70º

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Desarrollo de chimeneas

Excavación de chimeneas método tiros largos

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