Captulo 1METODOS DE PERFORACION DE ROCAS

1. INTRODUCCIONLa 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:A Mecnicos Percusin Rotacin RotopercusinB Trmicos Soplete o lanza trmica Plasma Fluido caliente CongelacinC Hidrulicos Chorro de agua Erosin Cavitacin Snicos Vibracin de alta frecuenciaE Qumicos Microvoladura DisolucinF Elctricos Arco elctrico Induccin magnticaGSismicos Rayo LserH Nucleares Fusin FisinA 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

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.

152. 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 fugar a dos procedimientos de perforacin: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 lavoladuraderocasyaquesedisponedeunfrente libre para la salida y proyeccin del material y permite una sistematizacin de las labores.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. Se necesita 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.

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 utiliza el 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 bulona-do o cementado de cables, siendo la perforacin la fase previa en tales trabajos.

3. CAMPOS DE APLICACION DE LOS DIFERENTES METODOS DEPERFORACIONLos 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 martillo se 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 utilizan y dimetros ms comunes para las voladuras en banco se recogen en la Fig. 1.2.

RESISTENCIA DE LA ROCAA COMPRESION SIMPLE 091Pa)N18 ig 8. 11 MARTILLOEN CABEZAO.

MARTILLO EN FONDO

ROTACION CON TRICONO

ROTACION CON TREPANO

O 1 AM ETROBARRENO( Puig)(mm)1 1/2"2"r3 1/2"5"6"9"12"is"2233 38415164 7689127152230300381

RANGO DE APLICACIONPe FI FO.VIWOR Ki....1t~4 "NADES .LTAS ~comes

SINO PEOuE 40,5am.......iE Demis..1

Figura 1.1. Campos de aplicacin de los mtodos de perforacin en funcin de la resistencia de las rocas y dimetros de los barrenos.

16Del mismo modo, se reflejan en la Fig. 1.3 los equipos ms frecuentes en los distintos mtodos de minerasubterrnea y datos caractersticos de la perforacin.Otros criterios que intervienen en la seleccin de los

equipos de perforacin son: econmicos, de diseo mecnico, mantenimiento y servicio, capacidad operativa, adaptabilidad a los equipos de las explotaciones y a las condiciones del rea de trabajo, (accesibilidad, tipo de roca, fuentes de energa, etc.)

17MTODOS DE PERFORACION EN BANCOPERFORACION ROTOPERCUTIVAPERFORACION ROTATIVA

MARTILLO

EN CABEZAMARTILLO

EN FONDOTRITURACIONCORTE

27 .127 mm i1 - 51li1.1ua76-216 mm.13A' 7-I.--..RII J.u.e150 - 211) ubm

poco comn){00-200 mm

p. cP7APAI

OBRAS DE CONSTRUCCION.

r4ifirCINESIAACIELO ABIERTO59127 mm0'7.-51I

Id76-276 mm11.W-9-7.1I.!g 191J80-440 mm13,C-1717-1i100.251 mmI314-9-0I9:.1i41,

Figura 1.2. Mtodos de perforacin en trabajos a cielo abierto (Atlas Copeo).METODO DE EXPLOTACIONCANSARAS Y PILARESCAMARAS ALMACENCORTE Y RELLENOHUNDIMIENTO POR

SLIEINIVELESSUBNIVELES CON

BARRENOS EN A8AN1C0SOBN IVE LES CON BARRENOS PARALELOS IVPR y LISH 1.

TECN CA DE

PERFORACION

Y VOLADURAPOR DALERIA5_Ifili6.17110U 60 HORIZONTAL.1111Z ._..,t-- --l'E110004C-10k ASCENDENTE HORIZONTAL--III% 'lb_PENFELITADLON VE NT rcA L.. Iglie___al'ILINNo-pERFousAcioN HORIZONTALI.,FE RFORAc EN A BA 11100---,i ONPERFORACION 0 EN A9411CIRCULAR,C0.11NBARRENOS PARALELOS

.1n7T

BLANQUEO vERT i cALPENPORACION ASCENDENTE VER TIC AL.

EQUIPO DE PER FOR.4 ClOtI APLICABLE.111.4J1151130 PAPA PERFORACION DE GALERASii:111CARRO SOBRE ORUGASIrl#000011 PERFORADORWma411JUM 5 O PARAPERAPAALIONDE DA LERLS5....---1PE RFORSOORAMANUAL 400COLUMNA,krj.PE RFONALARA MANUAL CON 'EMPUJADOS\)111111"UNICAO DE PERFORACION CIRCULARLoADA 5 CON BARRA, BRAZO DE PERFORA- CiONUNIDAD 45P0- CAL PARA PERFORACION EN ABANICOilljilVAGO 0 SOBRE ORUGAS CON MARTILLO EN FONDO DE ALTA PRESION

DATOS DE PERFORACION ,TIPO 06 60" Pum( 110 0 DE 049F0104.410.

1.m1- PROFLINOTDAD DEL BARRERO170 1dll..31,-443.0 - 5.5 _04 - 703/3E REQUIERA +33 - 212

30 - SA_i i r36 - 4133.0 - 40..i29 - 332.0 - 2.5.,51..29 - 332.0 - 15O44-51154112 - 15_ii_5,F. O46 - 5110 - 20/1346 - 51 Mi15 - 25(23105 - 115

SO - 00C 152 - 16550-80

RENDIMIENTO DEL EQUIPO or PERFORACION Cm /15 1- 0013 91AirriLLA A.4 ~Anee-CON MATIMLLO 1110 HAMACO60 - 7533 - 11015 -25125 - 35)20 -40 Al60 - 70 90 - t108-12ni10 - 15 IR200 -240249 - 30050-59ra100-120 12P - 10050Ni50sa

PE RFOP ACION + VOLADURA- NEN DumETITO 00 ARROBAD! f ob. / A 111.5-2.010-6.00.0 - 1210- 1.40.7 - 190.7-091.6 - 221.5 - 2.515-2.58-1014 -14

Figura 1.3. Mtodos de perforacin en trabajos de explotacin subterrneos (Atlas Copeo).

4. CLASIFICACION DE LAS ROCAS Y PROPIEDADES FISICAS PRINCIPALESLa perforacin de barrenos se realiza, casi en la totalidad de los casos, en masas rocosas, por lo que es interesante antes de iniciar una obra conocer los diferentes tipos de materiales que se presentan y sus piropiedades bsicas.Estas caractersticas de las rocas dependen en gran medida de su origen, por lo que a continuacin se describen los tres grandes grupos que existen.4.1. Clasificacin de las rocas por su origen 4.1.1. Rocas gneasLas rocas gneas son las formadas por solidificacin de una masa fundida, mezcla de materiales ptreos y de gases disueltos, denominada magma. Si la roca se ha enfriado en contacto con el aire o el agua de la superficie terrestre, se la clasifica como roca gnea "extrusiva" o volcnica. Cuando el magma se enfra por debajo de la superficie terrestre se forma una roca gnea "intrusi-va" o plutnica.La velocidad de enfriamiento del magma da lugar a que los minerales cristalizados tengan tamaos de grano grandes si es lenta y pequeos si es rpida. En el primer caso se forma una roca denominada pegmatita y en el segundo una aplita. Un caso intermedio lo constituye el prfido, en el que se observan grandes cristales dentro de una masa o matriz de grano fino. Los tres tipos se encuentran generalmente en forma de diques con potencias de uno a decenas de metros. El caso ms normal es el de una velocidad de enfriamiento moderada, que da lugar a una roca masiva con un tamao de grano medio, de 1 a 5 mm.Durante el proceso de enfriamiento de un magma su composicin vara, pues se produce una cristalizacin fraccionada, de acuerdo con la presin y temperatura de

Figura 1.4. Ciclo geolgico de las rocas.

cada momento. Tambin, el lquido residual puede reaccionar con los minerales ya solidificados y cambiar su contenido qumico. Adems, la composicin qumica original de los magmas puede haber sido muy distinta.

18Las diferentes condiciones fsicas y qumicas que se dan durante la solidificacin de un magma hacen que exista una gran variedad de rocas gneas. Ellas estn formadas por diferentes minerales, de diversos tamaos y agrupados de distintas formas, dando por resultado que sus caractersticas fsicas y qumicas sean muy heterogneas. Por lo tanto, su comportamiento ante la fragmentacin, corte, desgaste y meteorizacin puede ser variado; aunque las rocas gneas sin meteorizar, a efectos de su perforacin, son todas duras y compactas.Si la roca tiene un contenido en SiO2 superior al 62%, geoqumicamente se la denomina cida, entre ese valor y el 52% intermedia, entre 45 y 52% bsica, y finalmente con valores menores del 45% es ultrabsica. En el mismo sentido que las rocas gneas son ms pobres en slice, a la vez son ms ricas en silicatos ferromagnesia-nos. Las cidas son ms abrasivas y duras que las bsicas; pero stas ltimas son ms densas y resistentes al impacto que las primeras.4.1.2. Rocas metamrficasLas rocas metamrficas son las originadas por importantes transformaciones de los componentes mineralgicos de otras rocas preexistentes, endgenas o exgenas. Estos grandes cambios se producen por la necesidad de estabilizarse sus minerales en unas nuevas condiciones de temperatura, presin y quimismo.Estas rocas son intermedias en sus caractersticas fsicas y qumicas, entre las gneas y las sedimentarias, pues presentan asociaciones de minerales que pertenecen a los dos tipos. As se encuentran en ellas minerales, como el cuarzo, los feldespatos, las micas, los anf(-boles, los piroxenos y los olivinos, esenciales en las rocas gneas, pero no tienen feldespatoides. Como en las rocas sedimentarias, pueden tener calcita, dolomita, slice y hematites; pero no tienen minerales evaporticos. Tambin, aparecen en ellas minerales comunes a los dos tipos, como son: la turmalina, el zircn, la magnetita, el topacio y el corindn; todos ellos son minerales muy estables en cualquier medio exgeno o endgeno.Existe una serie de minerales, que son muy especficos de las rocas metamrficas, pudiendo formar parte de los granos de las rocas detrticas, debido a su estabilidad en los ambientes exgenos y otros son a la vez productos de alteracin meterica de minerales de rocas endgenas. Realmente la meteorizacin es un proceso de transformacin mineralgica con carcter fsico y qumico, pero a temperatura y presin bajas.4.1.3. Rocas sedimentariasLas rocas sedimentarias se forman por la acumulacin de restos o detritus de otras rocas preexistentes, por la precipitacin qumica de minerales solubilizados o por la acumulacin de restos de animales o vegetales.En el primer caso se producen los sedimentos detrti-cos como son las gravas, conglomerados y arenas en cuya precipitacin interviene la gravedad. En el segundo

se encuentran, por ejemplo, las evaporitas o rocas salinas precipitadas por la sobresaturacin de una salmuera sometida a una intensa evaporacin. Las terceras son las acumula iones de conchas, esqueletos de animales o restos de plantas, como son las calizas conch-feras, los corales y el carbn. Este ltimo grupo se subdivide en bioqumicas organgenas y bioqumicas minerales, segn que sus componentes sean de la qumica orgnica o de la inorgnica. En el primer caso estn los carbones y el petrleo, y en el segundo las calizas, dolo-mas y rocas fosfticas.En una primera clasificacin de las rocas sedimentarias se tiene en cuenta su proceso de formacin, despus se consideran los tamaos de los granos, las caractersticas de la unin de los mismos, adems de los tipos y cantidades de sus minerales componentes.4.2. Propiedades de las rocas que afectan a la perforacinLas principales propiedades fsicas de las rocas que influyen en los mecanismos de penetracin y consecuentemente en la eleccin del mtodo de perforacin son: Dureza. Fiesistencia. Elasticidad. Plasticidad. Abrasividad. Textura. Estructura. Caractersticas de rotura.4.2.1. DurezaSe entiende por dureza la resistencia de una capa superficial a la penetracin en ella de otro cuerpo ms duro.En una roca es funcin de la dureza y composicin de los granos minerales constituyentes, de la porosidad de la roca, del grado de humedad, etc.La dureza de las rocas es el principal tipo de resistencia a superar durante la perforacin, pues cuando se logra la penetracin del til el resto de las acciones se desarrollan ms fcilmente.Las rocas se clasifican en cuanto a su dureza por medio de la "escala de Mohs", en la que se valora la posibilidad de que un mineral pueda rayar a todos los que tienen un nmero inferior al suyo. Tal como se refleja en la Tabla 1.1 existe una cierta correlacin entre la dureza y la resistencia a la compresin de las rocas.TABLA 1.1CLASIFICACIONDUREZA MOHSRESISTENCIA A LA

COMPRESION (MPa)

Muy dura+ 7+ 200

Dura6 - 7120 - 200

Medio dura4,5 - 660 - 120

Medio blanda3 - 4,530 - 60

Blanda2 - 310 - 30

Muy blanda1 - 2- 10

4.2.2. Resistencia

19Se llama resistencia mecnica de una roca a la propiedad de oponerse a su destruccin bajo una carga exterior, esttica o dinmica.Las rocas oponen una resistencia mxima a la compresin; comnmente, la resistencia a la traccin no pasa de un 10 a un 15% de la resistencia a la compresin. Eso se debe a la fragilidad de las rocas, a la gran cantidad de defectos locales e irregularidades que presentan y a la pequea cohesin entre las partculas constituyentes,La resistencia de las rocas depende fundamentalmente de su composicin mineralgica. Entre los minerales integrantes de las rocas el cuarzo es el ms slido, su resistencia supera los 500 MPa, mientras que la de silicatos ferromagnsicos y los aluminosilicatos varan de 200 a 500 MPa, y la de la calcita de 10 a 20 MPa. Por eso, conforme es mayor el contenido de cuarzo, por lo general, la resistencia aumenta.La resistencia de los minerales depende del tamao de los cristales y disminuye con el aumento de stos. Esta influencia es significativa cuando el tamao de los cristales es inferior a 0,5 mm.En las rocas la influencia del factor tamao en la resistencia es menor, debido a que tambin intervienen las fuerzas de cohesin intercristalinas. Por ejemplo, la resistencia a la compresin de una arenisca arcosa de grano fino es casi el doble que la de granos gruesos; la del mrmol constituido por granos de 1 mm es igual a 100 MPa, mientras que una caliza de granos finos - 3 a 4 um - tiene una resistencia de 200 a 250 MPa.Entre las rocas sedimentarias las ms resistentes son las que tienen cemento silceo. En presencia de cemento arcilloso la resistencia de las rocas disminuye de manera brusca.La porosidad en rocas con una misma litologa conforme aumenta hace disminuir la resistencia, puesto que simultneamente disminuye el nmero de contactos deROS MPaROCAS SEDIMENTARIASROCAS

METAMORFICASROCAS

IGNEAS

2650100 150 200 250 300 350 400S11d1

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