Docente: Sr. Carlos B. Horta Espinoza

Ingeniería (E) en Minas – 5° Semestre 2015

PERFORACIÓN Y TRONADURA

PROPÓSITO

Aplicar las técnicas y procedimientos fundamentales para realizar científicamente procedimientos de perforación y tronadura empleando explosivos y los accesorios para su iniciación, con el objeto de provocar mecanismos de rotura en las rocas y macizos rocosos, aplicando las variables que intervienen en el diseño de voladuras, tanto en actividades mineras como en obras civiles.

UNIDADES TEMÁTICAS

1. Perforación.

2. Explosivos y accesorios.

3. Tronaduras.

4. Control de alteraciones y medidas de seguridad.

1. Certámenes 25%: A definir

2. Trabajos 35%: A definir

3. Informes 40%: A definir

4. Examen : A definir

EVALUACIÓN

INTRODUCCIÓN

La perforación y tronadura es una técnica aplicable a la extracción de roca en terrenos competentes, donde los medios mecánicos no son aplicables de una manera rentable.

La perforación de las rocas –en el campo de las tronaduras- es la primera operación que se realiza en la actividad de arranque del proceso productivo. Su finalidad es abrir cavidades, con la distribución y geometría correcta en el macizo rocoso para alojar el explosivo y sus sistemas de iniciación.

Además, la perforación tiene aplicaciones bien diferenciadas, dependiendo del objetivo que se persigue con ella: exploración o producción.

En todo caso, se deben distinguir dos tecnologías claramente diferenciadas: la tecnología de la perforación y la tecnología de diseño y ejecución de tronaduras.

Para realizar perforaciones y penetraciones en los macizos rocosos, se han desarrollados diversos sistemas, cuya aplicación está directamente ligada al objetivo que se persigue u otros condicionantes (económicos, medioambiente, etc.), siendo los más empleados aquellos que aplican las técnicas de rotación y percusión.

También se dice que existe una relación intrínseca entre la perforación y la tronadura:

“Una buena perforación posibilita una buena tronadura; una mala perforación asegura una mala tronadura”.

Componentes principales de un sistema de perforación

Perforadora Fuente de energía mecánica

Varillaje Medio de transmisión de la energía

BocaHerramienta que ejerce la energía sobre la roca

Fluido de barrido

Efectúa la limpieza y evacuación del detrito producido

TIPOLOGÍA DE TRABAJOS DE PERFORACIÓN PARA ARRANQUE CON EXPLOSIVOS

Procedimientos de perforación

Manual

Equipos ligeros manejados a mano por los perforistas.

Para trabajos de pequeña envergadura donde las dimensiones impiden el uso de otras maquinarias o no se justifica económicamente su empleo.

Mecanizada

Equipos montados sobre estructuras (tipo mecano) con las que el operador controla todos los parámetros de la perforación.

Las estructuras pueden ir montadas sobre neumáticos u orugas y ser automotrices o remolcadas.

Tipos de trabajo de perforación

De banqueo

Es el mejor método para la tronadura de rocas: dispone de un frente libre para salida y proyección del material y permite sistematizar las labores.

Se aplica a cielo abierto y subterránea.

Generalmente se usan barrenos verticales; en algunos casos poco frecuentes se usan barrenos horizontales.

De avance en galerías o túneles

Se necesita abrir un espacio inicial (cuele) hacia donde sale el resto de la roca fragmentada.

La perforación de los barrenos puede hacerse manualmente o por medio de jumbos.

Perforación de producción

Aplicada a las explotaciones mineras en labores de extracción del mineral.

Los equipos y métodos son variables, de acuerdo al sistema de explotación.

En minería subterránea, el factor común es el reducido espacio disponible en las galerías para efectuar el barreno.

Perforación de chimeneas

En muchos proyectos se emplea el método “raise boring” para perforar chimeneas.

Sin embargo, el método de barrenos largos con jaula jora y otros sistemas especiales de perforación combinados con tronaduras, se sigue empleando.

Perforación de rocas con recubrimiento

La perforación de macizos rocosos con discontinuidades sin consolidar obliga a utilizar el método de entubado.

Sostenimiento

Muchas obras requieren el sostenimiento de paredes, taludes y techos rocosos con pernos y redes que se pueden ser cementadas. En todos estos trabajos se requiere perforar previamente.

SISTEMAS MECÁNICOS DE PERFORACIÓN

Rotopercusión

Martillo en cabeza del barreno.

Martillo en el fondo del barreno.

Rotativos

Penetración por trituración (triconos), rocas de dureza media a alta.

Penetración por corte (diamantina), rocas blandas.

Campos de aplicación de los métodos de perforación según resistencia de las rocas y diámetros de los barrenos.

Métodos de perforación en minería a cielo abierto (equipos y diámetros más comunes para tronaduras de bancos)

Próxima diapositiva:

Métodos de perforación en trabajos de minería subterránea (equipos más frecuentes y datos característicos)

Otros criterios que intervienen en la selección de equipos de perforación

Criterios de carácter económico. Criterios de diseño mecánico. Criterios de mantenimiento y servicio. Capacidad operativa. Adaptabilidad a los equipos de las explotaciones. Adaptabilidad a las condiciones del área de trabajo (accesibilidad,

tipo de roca, fuentes de energía, etc.)

CLASES DE ROCAS Y SUS PROPIEDADES PARA TRABAJOS DE PERFORACIÓN

Rocas según su origen

Ígneas.

Metamórficas.

Sedimentarias.

Propiedades de las rocas que afectan a la perforación

Dureza

Resistencia

Elasticidad

Plasticidad

Abrasividad

Textura

Estructura

Características de rotura

Dureza

Es el principal tipo de resistencia a vencer en perforación.

La dureza es la resistencia de una capa superficial a la penetración en ella de otro cuerpo más duro.

La dureza de las rocas está dada por la escala de Mohs: posibilidad de que un mineral pueda rayar a todos los que tienen un número inferior al suyo.

Existe una correlación entre la dureza y la resistencia a la compresión.

Resistencia mecánica

Propiedad de una roca de oponerse a su destrucción ante una carga exterior (estática o dinámica).

Elasticidad

La mayoría de los minerales constituyentes de las rocas tienen un comportamiento elástico-frágil, que obedece a la ley de Hooke, y se destruyen cuando las tensiones superan el límite de elasticidad.

Plasticidad

Es la capacidad de deformación de las rocas en función de las tensiones aplicadas, lo que depende de la composición mineral de las rocas.

Abrasividad

Capacidad de las rocas para desgastar la superficie de contacto de otro cuerpo más duro en el proceso de rozamiento durante el movimiento.

Esta propiedad influye mucho en la vida útil de los medios de perforación.

Las rocas que contienen mayor cantidad de granos de cuarzo son más abrasivas.

Textura

Es la estructura de los granos que constituyen a la roca (tamaño, forma, porosidad, etc.), aspectos que tienen una influencia significativa en el rendimiento de la perforación.

Estructura

Las propiedades estructurales de los macizos rocosos (esquistosidad, planos de estratificación, juntas, diaclasas y fallas) y el rumbo y buzamiento de éstas, afectan a la linealidad de los barrenos, a los rendimientos de perforación y a la estabilidad de las paredes de los barrenos.

FUNDAMENTOS DE PERFORACIÓN ROTOPERCUTIVA

Principio de perforación

Impacto de una pieza de acero (pistón) que golpea a un útil que a su vez transmite la energía al fondo del barreno por medio de un elemento final (boca)

Clsificación Martillo en cabeza

Martillo en el fondo

Martillo en cabeza

Dos de las acciones básicas se producen fuera del barreno: rotación y percusión.

Las acciones básicas se transmiten a través de una espiga y del varillaje hasta la boca de perforación.

Los martillos pueden ser de accionamiento neumático o hidráulico.

Martillo en el fondo

La percusión se realiza directamente sobre la boca de perforación.

La rotación se efectúa en el exterior del barreno.

El accionamiento del pistón es neumática.

La rotación puede ser neumática o hidráulica.

Diámetros más comunes según aplicación

Principales ventajas de la perforación rotopercutiva:

Aplicable a todos los tipos de rocas (blandas y duras)

Amplia gama de diámetros de perforación

Equipos versátiles, adaptables a diferentes trabajos y de gran movilidad

Necesitan un solo operario

Mantenimiento fácil y rápido

Precio de adquisición no es elevado

Tipos de obras en que se utilizan

Minería

Subterránea

A cielo abierto de tamaño medio y pequeño.

Obras públicas

Subterráneas (túneles, cavernas hidráulicas)

Superficie (carreteras, excavaciones industriales)

Combinación de acciones básicas de la perforación rotopercutiva

Percusión Impactos del pistón originan ondas de choque que se transmiten a la boca.

RotaciónMovimiento de giro de la boca para que los impactos en la roca se produzcan en distintas posiciones.

EmpujeSe efectúa sobre la serie de barras de perforación (sarta) para mantener en contacto el útil de perforación con la roca.

Barrido Con el fluido de barrido se extrae el detrito del fondo del barreno.

Combinación de acciones básicas

Proceso de formación de indentaciones para avance

Aplastamiento de las rugosidades de la roca por contacto.

Aparición de grietas radiales en puntos de concentración de tensiones.

Formación de cuña en “V”.

Pulverización de la roca en la cuña por aplastamiento.

Formación de fragmentos mayores en la zona adyacente a la cuña.

Evacuación del detrito por el fluido de barrido.

El rendimiento del proceso de indentaciones aumenta proporcionalmente con el tamaño de las esquirlas de roca que se liberan.

La velocidad de perforación es proporcional a la potencia de percusión (producto de la energía de impacto por la frecuencia de golpes).

La rotación y el empuje son meras acciones auxiliares que influyen relativamente poco en la velocidad de perforación.

Percusión

La energía cinética del pistón (Ec) se transmite desde el martillo hasta la boca de perforación por el varillaje como onda de choque a alta velocidad.

La forma de la onda de choque depende del diseño del pistón.

En la boca de perforación, parte de la onda se convierte en trabajo y parte se refleja por el varillaje.

La eficiencia es difícil de evaluar al depender de muchos factores.

En martillo de fondo el rendimiento es mayor.

La potencia de percusión es el parámetro que más influye en la velocidad de penetración.

Expresiones para estimar la energía liberada por percusión

o

Normalmente los fabricantes de martillos hidráulicos proporcionan el valor de la energía de impacto, lo que no ocurre con los martillos neumáticos.

En los martillos neumáticos, la presión del fluido de trabajo en el cilindro es de un 30 a 40% menor que en el compresor.

Potencia de un martillo

Es la energía por golpe multiplicada por la frecuencia de impactos (ng)

Donde:

Constante K < 1

El mecanismo de percusión consume un 80 a 85% de la potencia total del equipo.

Las variables masa, área de trabajo y carrera del pistón son propias del equipo (de diseño). Sólo se puede actuar sobre la presión del fluido de trabajo para obtener una gama de potencias de percusión, según requiera cada aplicación.

Rotación

Para cada tipo de roca existe una velocidad óptima de rotación, produciendo los detritos de mayor tamaño.

Al perforar con bocas de pastillas, la velocidad oscila entre 80 y 150 rpm, con ángulos entre indentaciones de 10° a 20°.

Con bocas de botones de 51 a 89 mm, la velocidad es entre 40 y 50 rpm, con ángulos de giro entre 5° y 7°.

Bocas de mayor diámetro requieren velocidades menores.

Empuje

La boca debe encontrarse en contacto permanente con el fondo del barreno.

La fuerza de empuje es suministrada por un motor o cilindro de avance, adecuado al tipo de roca y boca de perforación.

Empuje insuficiente: reduce la velocidad de penetración, mayor desgaste de varillas, pérdida del apriete del varillaje y calentamiento del varillaje.

Empuje excesivo: disminuye velocidad de perforación, dificulta desenroscado del varillaje, aumenta desgaste de las bocas, aumento del par de rotación y vibraciones, desviación de barrenos.

Barrido

No evacuar el detrito inmediatamente después de formado consumirá gran cantidad de energía en la trituración de esas partículas con desgaste y pérdidas de rendimiento, además de riesgo de atasco.

Fluido de barrido: aire, agua o espuma a presión, inyectado al fondo del barreno por el orificio central del varillaje y aberturas en la boca de perforación.

Partículas se evacúan por el hueco anular comprendido entre el varillaje y la pared de los barrenos.

Aplicaciones

Barrido con aire: Trabajos a cielo abierto donde el polvo puede ser eliminado por captadores.

Barrido con agua: más utilizado en perforación subterránea y que suprime el polvo; se produce pérdida de rendimiento entre un 10 y 20%.

Barrido con espuma: se emplea como complemento del aire, ayudando a la elevación de partículas gruesas hacia la superficie; ejerce un efecto de sellado en las paredes del barreno al atravesar materiales sueltos.

La velocidad de ascenso para limpieza eficiente con aire es entre 15 y 30 m/s.

Para el cálculo de las velocidades mínimas se aplica:

Caudal de aire a suministrar por el compresor:

Cuando se emplea agua, la velocidad de ascenso es entre 0,4 y 1 m/s.

La presión está limitada entre 0,7 y 1MPa, para evitar que el fluido entre en el martillo.

Para el empleo de espuma (lodo de perforación), referirse a las instrucciones del proveedor sobre preparación y aplicación de las emulsiones.

Consideraciones para barrido con aire en el caso de martillo en cabeza

En estos sistemas no es frecuente que dispongan de un compresor adicional, de presión superior, exclusivo para el barrido.

Sólo los sistemas de martillo en el fondo usan compresores de alta presión (1 a 1,7 MPa) para evacuar el detrito y aumentar la potencia de percusión.

Para estimar el caudal de barrido se debe considerar las pérdidas de carga por los estrechos conductos que atraviesa el fluido y a lo largo del sistemas de barras de perforación.

Velocidad de barrido al perforar con martillo en cabeza, en función del caudal de aire del compresor y diámetro del varillaje.

PERFORACIÓN CON MARTILLO EN CABEZA

Es el método más clásico o convencional.

Su empleo en forma neumática se vio limitado por los sistemas de martillo en el fondo y de corte.

La aparición de sistemas hidráulicos le ha ampliado su campo de aplicación.

Las longitudes de perforación con este sistema no supera los 30 m.

Perforadoras de accionamiento neumático (componentes básicos)

Cilindro cerrado con una tapa delantera, que tiene una abertura axial donde se ubica el elemento porta-barrenas y un dispositivo retenedor de las varillas de perforación.

El pistón.

Válvula reguladora del paso de aire comprimido a ambas caras del pistón.

Mecanismo de rotación.

Sistema de barrido.

Principio de trabajo del martillo neumático

Pistón al final de la carrera de retroceso.

Pistón se acelera hacia adelante.

El borde trasero de la cabeza del pistón descubre la lumbrera de escape.

El pistón comprime el aire que se encuentra delante.

El pistón se acelera hacia atrás.

El borde frontal de la cabeza del pistón descubre la lumbrera de escape.

El pistón finaliza la carrera de retroceso.

Procedimientos para la rotación

Barra estriada o rueda de trinquetes

Motor independiente

Sistema generalizado para las perforaciones ligeras.

Sistema aplicado a barrenos de gran diámetro donde es necesario un par mayor.

Mecanismo de barra estriada(Las varillas solo giran en la carrera de retroceso del pistón)

Con motor independiente

Es el más usado. Para un pistón del mismo tamaño, posee más energía en el martillo Se dispone de mayor par, lo que permite trabajar con diámetros y

longitudes mayores. Se puede adecuar la percusión y la rotación a las características de

la roca a perforar. Aumenta el rendimiento de la perforación.

Perforadora de accionamiento hidráulico

Básicamente consta de los mismos elementos constructivos de una neumática y su diferencia es el fluido de trabajo.

Principio de funcionamiento

Pistón en el extremo delantero de su carrera.

Pistón se desplaza hacia atrás.

Pistón se encuentra en la posición trasera.

Pistón se mueve hacia adelante.

Mejoras sobre la tecnología neumática:

Menor consumo de energía.

Menor costo de accesorios de perforación.

Mayor capacidad de perforación.

Menor nivel de ruido.

Más elasticidad en la operación (se puede variar la presión de actuación, la energía del golpe y la frecuencia de percusión)

Mayor facilidad para la automatización.

Desventajas:

Equipos más caros.

Reparaciones más caras y complejas. Requieren personal más especializado.