El Sistema de Perforación y Voladura Para La Excavación de Túneles .

EQUIPOS DE PERFORACIÓN[ ]

1 Túneles y movimiento de materiales

1. Introducción

El sistema de perforación y voladura para la excavación de túneles, galerías o cavernas es una

técnica convencional que aún hoy se utiliza con profusión, debido a las numerosas ventajas que

presenta frente a la excavación mecánica con minadores y tuneladoras: versatilidad en cuanto a

tipos de roca y secciones de las obras, adaptabilidad a otros trabajos, movilidad de los equipos y

reducida inversión inicial.

Los equipos de arranque mecánico tienen un límite de aplicación en lo referente a resistencia y

abrasividad de las rocas. Los minadores suelen trabajar en materiales con una resistencia a la

compresión por debajo de los 100 MPa, mientras que los topos llegan a los 250 MPa. El arranque

con explosivos se suele aplicar a partir de los 80 MPa hasta las rocas más duras, donde por pérdida

de rendimiento e incluso por consumo de elementos de desgaste la excavación mecánica es

claramente antieconómica. Además, es más flexible frente a los cambios litológicos o trastornos

tectónicos de los terrenos atravesados.

En cuanto a las secciones, éstas pueden ser completas o, si son muy grandes, realizarse la

excavación por fases con galerías de avance, destrozas laterales y/o banqueo al piso. Hay que

tener en cuenta que los jumbos modernos poseen secciones de cobertura de grandes dimensiones

y formas. Con los topos el sistema de trabajo es muy rígido, ya que por lo común las secciones

deben ser circulares y con los minadores, a pesar de sus mayores posibilidades, no se llega a la

capacidad de cobertura que poseen los modernos jumbos.

Por otro lado, además de perforar en el frente, los jumbos pueden usarse en la perforación para el

sostenimiento y si van montados en un chasis con neumáticos disponer de gran movilidad con

capacidad de desplazamiento de un frente a otro.

Figura 1. Evolución de los equipos destinados a la excavación de túneles y galerías

Por último, la inversión en equipos de perforación es para una misma sección de excavación

inferior a la de un minador o un topo, por lo que en obras lineales de reducida longitud es el

sistema más aconsejable para su amortización, pudiendo incluso destinarse a la ejecución de otras

obras distintas.



Los principales inconvenientes que presenta el arranque con explosivos, frente al mecánico, es

que los perfiles de excavación son mucho más irregulares y la alteración del macizo rocoso

remanente puede ser intensa si las voladuras no se disparan con las técnicas de contorno en el

perímetro. Ambos aspectos inciden en los costes del sostenimiento y sobre todo en los trabajos de

revestimiento mediante hormigonado

Adicionalmente, en proyectos dentro de zonas urbanas las vibraciones generadas por las

voladuras .pueden ser un factor limitante, ya que se tendrá que salvaguardar la integridad de las

edificaciones, e incluso otras estructuras subterráneas, y evitar las molestias a las personas.

El ciclo básico de excavación mediante perforación y voladura se compone de las siguientes

operaciones:

Perforación de barrenos.

Carga del explosivo.

Disparo de la Pega.

Evacuación de humos y ventilación.

Saneo de los hastiales Y bóveda.

Carga y transporte del escombro.

Replanteo de la nueva voladura.

Figura 2. Operaciones básicas integrantes del ciclo de excavación con explosivos.



El tiempo de ciclo de excavación de un túnel a sección completa o de calota, en el caso en que el

avance se haga en varias fases, suele durar de uno a dos relevos, según la sección y el tipo de

sostenimiento necesario. La distribución de tiempos suele ser la siguiente:

o Perforación de barrenos: 10-30 %

o Carga del explosivo: 5-15%

o Voladura y ventilación: 5-10%

o Saneo y desescombro: 15-35%

o Sostenimiento: 65-10%

Se observa que el tiempo destinado al sostenimiento en la sección de avance puede, en los casos

más desfavorables, llegar a superar el 50 % de la duración del ciclo. En la sección de destroza,

generalmente, son del orden de la mitad e incluso inferiores.

En los epígrafes siguientes se describen los equipos de perforación y explosivos que actualmente

se utilizan en la ejecución de túneles y galerías, así como el cálculo de los esquemas de perforación

y cargas de explosivo, y el control de las vibraciones y ondas de presión.

2. FUNDAMENTOS DE LA PERFORACIÓN ROTOPERCUTIVA

Figura 3. Acciones básicas de la perforación rotopercusiva

La perforación a rotopercusión se basa en la combinación de las siguientes acciones:

Percusión. Los impactos producidos por el golpeo del pistón originan unas ondas de choque que se

transmiten a la boca a través del varillaje (en el martillo en cabeza) o directamente sobre ella (en

el martillo en fondo).

Rotación. Con este movimiento se hace girar la boca para que los impactos se produzcan sobre la

roca en distintas posiciones.

Empuje. Para mantener en contacto el útil de perforación con la roca se ejerce un empuje sobre la

sarta de perforación.

Barrido. El fluido de barrido permite extraer el detrito del fondo del barreno.

El proceso de formación de las indentaciones, con el que se consigue el avance en este sistema de

perforación, se divide en cinco instantes, tal como se refleja en la Fig. 4



Figura 4. Fases de formación de una indentación.

Esta secuencia se repite con la misma cadencia de impactos del pistón sobre el sistema de

transmisión de energía hasta la boca. El rendimiento de este proceso aumenta proporcionalmente

con el tamaño de las esquirlas de roca que se liberan.

2.1 Percusión

La energía cinética E del pistón se transmite desdé el martillo hasta la boca de perforación, a

través del varillaje, en forma de onda de choque. El desplazamiento de esta onda se realiza a alta

velocidad y su forma depende fundamentalmente del diseño del pistón.

Cuando la onda de choque alcanza la boca de perforación, una parte de la energía sé - transforma

en trabajo haciendo penetrar el útil y el resto se refleja y retrocede a través del varillaje. La

eficiencia de esta transmisión es difícil de evaluar, pues depende de muchos factores, tales como:

el tipo de roca, la forma y dimensión del pistón, las características del varillaje, el diseño de la

boca, etc. Además, hay que tener en cuenta que en los puntos de unión de las varillas existen

pérdidas de energía, por reflexiones y rozamientos que se transforman en Calor y desgastes en las

roscas.

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

energía liberada por golpe en un martillo puede estimarse a partir de cualquiera de las

expresiones siguientes:

mp = Masa del pistón.

vp = Velocidad máxima del pistón.

pm = Presión del fluido de trabajo (aceite o aire) dentro del cilindro.

Ap = Superficie de la cara del pistón.

Ip = Carrera del pistón.



La potencia de un martillo es pues la energía por golpe multiplicada por la frecuencia de impactos

ng:

donde:

y teniendo en cuenta las expresiones anteriores puede escribirse:

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

2.2 Rotación

La rotación, que hace girar la boca entre impactos sucesivos, tiene como misión hacer que ésta

actúe sobre puntos distintos de la roca en el fondo del barreno. En cada tipo de roca existe una

velocidad óptima de rotación para la cual se producen los detritus de mayor tamaño al aprovechar

la superficie libre del hueco que se crea en cada impacto.

Cuando se perfora con bocas de pastillas las velocidades de rotación más usuales oscilan entre 80

y 150 r/min, con unos ángulos entre indentaciones de 10° a 20°, Fig. 5, En el caso de bocas de

botones de 51 a 89 mm las velocidades deben ser más bajas, entre 40 y 60 r/min, que

proporcionan ángulos de giro entre 5° y 7°, las bocas de mayor diámetro requieren velocidades

incluso inferiores.

Figura 5. Velocidades de rotación para bocas de pastillas y botones.



2.3 Empuje

La energía generada por el mecanismo de impactos del martillo debe transmitirse a la roca, por lo

que es necesario que la boca se encuentre en contacto permanente con el fondo de barreno. Esto

se consigue con la fuerza suministrada por un motor o cilindro de avance, que debe adecuarse al

tipo de roca y boca de perforación.

Un empuje insuficiente tiene los siguientes efectos negativos: reduce la velocidad de penetración,

produce un mayor desgaste de varillas y manguitos, aumenta la pérdida de apriete del varillaje y el

calentamiento del mismo. Por el contrario, si el empuje es excesivo disminuye también la

velocidad de perforación, dificulta el desenroscado del varillaje, aumenta el desgaste de las bocas,

el par de rotación y las vibraciones del equipo, así como la desviación de los barrenos.

Al igual que sucede con la rotación, esta variable no influye de forma decisiva sobre las

velocidades de penetración, Fig. 6.

Figura 6. Influencia del empuje sobre la velocidad de penetración

2.4 Barrido

Para que la perforación resulte eficaz, es necesario que el fondo de los barrenos se mantenga

constantemente limpio evacuando el detritus justo después de su formación.

El barrido de los barrenos se realiza con un fluido que se inyecta a presión hacia el fondo a través

de un orificio central del varillaje y de unas aberturas practicadas con las bocas de perforación. Las

partículas se evacuan por el hueco anular comprendido entre el varillaje y la pared de los

barrenos, Fig. 7.

Figura 7. Principio de barrido de un barreno.



El barrido con agua es el sistema más utilizado en la perforación subterránea, que sirve, además,

para suprimir el polvo, aunque supone generalmente una pérdida de rendimiento del orden del

10% al 20%. Las velocidades ascensionales para una limpieza eficiente pueden estimarse en cada

caso a partir de la expresión:

donde:

Va = Velocidad ascensional (m/s).

Pr = Densidad de la roca (g/cm3).

dp = Diámetro de las particulares (mm).

Así, el caudal de fluido de limpieza será:

siendo:

Qa = Caudal (m3/min).

D = Diámetro del barreno (m).

d = Diámetro delas varillas (m).

Cuando se emplea agua para el barrido la velocidad ascensional debe estar comprendida entre 0,4

y 1 m/s 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 presión

superior únicamente para el barrido. Sólo en el caso de los martillos en fondo se utilizan

compresores de alta presión (1-1,7 MPa), porque además de servir para evacuar los detritus

aumenta la potencia de percusión.

3. TIPOS DE MARTILLOS

Hasta 1970, el accionamiento neumático era el único utilizado en las perforadoras en los trabajos

subterráneos. Pero desde 1974, las perforadoras hidráulicas las fueron reemplazando en casi

todos los trabajos de barrenado.

La potencia electrohidráulica es más eficiente y fácilmente adaptable a la automatización de los

equipos, como se describirá más adelante.



3.1 Martillos neumáticos

Un martillo accionado por aire comprimido consta básicamente de:

Un cilindro cerrado con una tapa delantera que dispone de una abertura axial donde va

colocado el elemento portabarrenas, así como un dispositivo retenedor de las varillas de

perforación.

El pistón que con su movimiento alternativo golpea el vástago o culata, a través de la cual

se transmite la onda de choque a la varilla.

La válvula que regula el paso de aire comprimido en volumen fijado de forma alternativa a

la parte interior y posterior del pistón.

Un mecanismo de rotación, bien de barra estriada o de rotación independiente.

El sistema de barrido, que consiste en un tubo que permite el paso del aire hasta el

interior del varillaje.

Estos elementos son comunes a todos los tipos de martillos existentes en el mercado, variando

únicamente algunas características de diseño: diámetro de cilindro, longitud de la carrera del

pistón, conjunto de válvulas de distribución, etc.

Estos martillos funcionan con la misma presión del aire para el mecanismo de impacto que para el

sistema de barrido. Conforme aumenta la profundidad del barreno y el peso del detritus se

requiere una mayor presión del fluido de barrido, pues de lo contrario se producirá una peor

limpieza de los taladros.



3.2 Martillos hidráulicos

Una perforadora hidráulica consta básicamente de los mismos elementos constructivos que una

neumática. Fig. 8.

Figura8. Sección de un martillo hidráulico (Atlas Copco).

La diferencia más importante entre ambos sistemas estriba en que en lugar de utilizar aire

comprimido, generado por un compresor accionado por un motor de rotación y para producir el

movimiento alternativo del pistón, un motor actúa sobre un grupo de bombas que suministran un

caudal de aceite que acciona aquellos componentes. Las características de estas perforadoras se

resumen en la Tabla 1.

TABLA 1. Características medias de martillos hidráulicos.

Los martillos hidráulicos se clasifican de acuerdo con la potencia generada por su mecanismo de

impacto. Esta potencia da una idea del rendimiento del equipo, pues a mayor número de kW le

corresponde normalmente mayor velocidad de penetración.

Por otro lado, cada perforadora hidráulica está vinculada a un varillaje de una dimensión

específica. Ésta es el diámetro óptimo para soportar las tensiones generadas por el mecanismo de

impacto del martillo. La armonía entre perforadora y varillaje proporciona una optimización de la

velocidad de perforación, junto con una vida de servicio más prolongada del varillaje. Los grupos

de martillos hidráulicos que se consideran son:



- Martillos ligeros. Con potencia de impacto de 6 kW, se utilizan con varillaje integral para perforar

barrenos de 33 a 38 mm de diámetro. Su campo de aplicación eó la perforación de bulonado y

auxiliar.

- Martillos medios. Con potencias de impacto de 7,5 kW, para varillaje R32 y diámetros de

perforación de 38 mm.

- Martillos pesados. Con potencias de impacto de 15 a 20 kW, para varillaje de R38 y diámetro

normal de perforación de 45 mm, Martillos empleados para el avance de galerías, perforación de

barrenos largos y perforación de banqueo.

- Martillos de alta potencia. Con potencia máxima de 40 kW, utilizado para perforación de

barrenos largos con diámetros de 89 a 115 mm.

Figura 9. Relación entre tipos de martillos y sartas de perforación

Figura 10. Tipos de martillos y velocidades de penetración.



Las razones por las que la perforación hidráulica ha Supuesto una mejora tecnológica sobre la

neumática son las siguientes:

- Menor consumo de energía: las perforadoras hidráulicas trabajan con fluidos a presiones muy

superiores a las accionadas neumáticamente y, además, las caídas de presión son mucho menores.

Se utiliza, pues, de una forma más eficiente la energía, siendo sólo necesario por metro perforado

1/3 de la que se consume con los equipos neumáticos.

- Menor coste de accesorios de perforación: la transmisión de energía en los martillos hidráulicos

se efectúa por medio de pistones más alargados y de menor diámetro que los correspondientes a

los martillos neumáticos. Como se observa en la Fig. 11, la forma de la onda de choque es mucho

más limpia y uniforme en los martillos hidráulicos que en los neumáticos, donde se producen

niveles de tensión muy elevados que son el origen de la fatiga sobre el acero y de una serie de

ondas secundarias de bajo contenido energético. En la práctica, se ha comprobado que la vida útil

del varillaje se incrementa para las perforadoras hidráulicas aproximadamente un 20%.

Figura 11. Ondas de choque en martillos hidráulicos y neumáticos.

Mayor capacidad de perforación: debido a la mejor transmisión de energía y forma de la onda, las

velocidades de penetración de las perforadoras hidráulicas son de un 50 a un 100% mayores que

las de los equipos neumáticos.

- Mejores condiciones ambientales: los niveles de ruido en una perforadora hidráulica son

sensiblemente menores a los generados por una neumática, debido a la ausencia del escape de

aire. Además, en las labores subterráneas no se produce la niebla de agua y aceite en el aire del

frente, mejorando el ambiente y la visibilidad de1 operario.

Por otro lado, la hidráulica ha permitido un diseño más ergonómico de los equipos, haciendo que

las condiciones generales de trabajo y de seguridad sean mucho más favorables.

- Mayor elasticidad de la operación: es posible variar dentro de la perforadora la presión de

accionamiento del sistema y la energía por golpe y frecuencia de percusión.



- Mayor facilidad para la automatización: estos equipos son mucho más aptos para la

automatización de operaciones, tales come el cambio de varillaje, mecanismos antiatranque,

robotización, etc.

- Mantenimiento: los componentes internos de los martillos hidráulicos tienen un entorno de

aceite hidráulico limpio y filtrado. El sistema está completamente aislado del exterior, y el

desgaste de las piezas es mínimo. Los martillos hidráulicos requieren por lo tanto un menor

mantenimiento. Así, por ejemplo, para un equipo de 12 kW de potencia el intervalo de servicio es

de 200 h, correspondientes a 15.000 m perforados.

4. SISTEMAS DE AVANCE

Para obtener un rendimiento elevado de las perforadoras, las bocas deben estar en contacto con

la roca en el momento en que el pistón transmite su energía mediante el mecanismo de impactos.

Para conseguir esto, tanto en la perforación manual como mecanizada, se debe ejercer un empuje

sobre la boca que oscila entre los 3 y 5 kN, para los equipos de tipo pequeño, hasta los mayores de

15 kN en las perforadoras grandes.

Los sistemas de avance son los empujadores y las deslizaderas.

4.1. Empujadores

Básicamente, un empujador consta de dos tubos. Uno exterior de aluminio o de un metal ligero, y

otro interior, generalmente de acero, que es el que va unido a la perforadora. El tubo interior

actúa como un pistón de doble efecto, controlándose su posición y fuerza de empuje con una

válvula Que va conectada al circuito de aire comprimido.

4.2, Deslizaderas de cadena

Este sistema de avance está formado por una cadena que se desplaza por dos canales y que es

arrastrada por un motor hidráulico, a través de un reducto y un piñón de ataque, Fig. 12. La

cadena actúa sobre la cuna del martillo que Se desplaza sobre el lado superior de la deslizadera.



Las ventajas de este sistema son el bajo precio, facilidad de reparación y la posibilidad de

longitudes de avance grandes. Por el contrario, presentan algunos inconvenientes como son:

mayores desgastes en ambientes abrasivos, peligroso si se rompe la cadena perforando hacia

arriba y dificultad de conseguir un avance suave cuando las penetraciones son pequeñas.

4.3. Deslizadera de tornillo

En estas deslizaderas el avance se produce al girar el tornillo accionado por un motor. Este tornillo

es de pequeño diámetro en relación con su longitud y está sujeto a esfuerzos de pandeo y

vibraciones durante la perforación. Por esa razón, no son usuales longitudes superiores a los 1,8

m.

Las principales ventajas de este sistema son: una fuerza de avance más regular y suave, gran

resistencia al desgaste, muy potente y adecuado para barrenos profundos, menos voluminoso y

más seguro que el sistema de cadena. Sin embargo, los inconvenientes que presenta son: un alto

precio, mayor dificultad de reparación y longitudes limitadas.

4.4. Deslizaderas hidráulicas

El sistema consta de un cilindro hidráulico que desplaza a la perforadora a lo largo de la viga

soporte, Fig. 13.



Las deslizaderas hidráulicas presentan las siguientes ventajas: simplicidad y robustez, facilidad de

control y precisión, capacidad para perforar a grandes profundidades y adaptabilidad a gran

variedad de máquinas y longitudes de barrenos Por el contrario, los problemas que plante.an son:

mayores precios, necesidad de un accionamiento hidráulico independiente, peor adaptación que

las perforadoras percutivas que en las rotativas y desgastes en el cilindro empujador.

5. SISTEMAS DE MONTAJE

En los tipos de trabajo que realizan los equipos de perforación, los sistemas de montaje pueden

diferenciarse según sean para aplicaciones subterráneas o a cielo abierto.

5.1 Sistemas de montaje para aplicaciones subterráneas

Los equipos de perforación que más se utilizan en labores de interior son los siguientes:

- Jumbos para excavación de túneles y galerías, explotaciones por corte y relleno, por cámaras y

pilares, etc.

- Perforadoras de barrenos largos en abanico en el método de cámaras por subniveles.

- Perforadoras de barrenos largos para sistemas de cráteres invertidos y cámaras por banqueo.

Otras unidades como son los vagones perforadores sobre neumáticos y los carros sobre orugas se

describen con más detalle junto a las máquinas de cielo abierto.

Los montajes especiales para la ejecución de chimeneas y pozos se ven en un capítulo aparte.

A. Jumbos para túneles y galerías

Los jumbos son unidades de perforación equipadas con uno o varios martillos y cuyas principales

aplicaciones en labores subterráneas se encuentran en avance de túneles y galerías, bulonaje y

perforación transversal, y banqueo con barrenos horizontales.

Los componentes básicos de estos equipos son: el mecanismo de traslación, el sistema de

accionamiento, los brazos, las deslizaderas y los martillos, Fig. 14.



Figura 14. Componentes de los jumbos



Estas máquinas son actualmente autopropulsadas, disponiendo de un tren de rodaje sobre:

neumáticos, orugas o carriles.

El primero es el más extendido por la gran movilidad que posee (hasta 15km/h), por la resistencia

frente a las aguas corrosivas y por los menores desgastes sobre pisos irregulares. Los chasis en la

mayoría de los casos son articulados, posibilitando los trabajos de excavaciones en curvas.

El montaje sobre orugas se utiliza con muy mal piso, galerías estrechas, con pendientes altas (15°-

20°) y pocas curvas. No son muy frecuentes en trabajos subterráneos.

Figura 15. Jumbo sobre orugas (Atlas Copco).

Los jumbos sobre carriles, que han caído muy en desuso, encuentran aplicación cuando los

trabajos presentan: una gran longitud, pequeña sección; problemas de ventilación y los equipos de

carga y transporte del material se desplazan también sobre carril. Con estos equipos es

imprescindible que desde cada posición el jumbo pueda perforar todos los barrenos previstos. Fig.

16.

Figura 16. Jumbo sobre carriles (Atlas Copco).

Las fuentes de energía suelen ser de tipo diésel o eléctrica. los motores diésel que sirven para el

accionamiento del tren de rodadura, por transmisión mecánica o hidráulica, pueden usarse

también para accionar todos los elementos de perforación, incluidas las unidades compresoras e

hidráulicas. Este sistema se utiliza en proyectos de pequeña envergadura y cuando no existen

problemas de contaminación en el frente más habitual es emplear el motor diésel para el

desplazamiento del equipo y un motor eléctrico para el accionamiento delos elementos de

perforación. En este caso se necesita disponer de una instalación de distribución de energía

eléctrica.



También suelen llevar un compresor de aire, usado para la lubricación de los martillos y para el

doble barrido, es decir, el cambio de barrido de agua a barrido con aire para limpiar y secar los

barrenos una vez taladrados.

Los brazos de los jumbos modernos están accionados hidráulicamente, existiendo una gran

variedad de diseños, pero, pueden clasificarse en los siguientes grupos: de tipo trípode, de giro en

la base o en la línea, del número de cilindros y movimientos del brazo dependen la cobertura y

posibilidades de trabajo de los jumbos, por lo que la selección delos brazos es una aspecto muy

importante, ya que las labores a realizar son muy variadas.

Figura 17. Brazo con giro en la base

Figura 18. Brazo con giro en línea



También existen brazos de extensión telescópica con incremento de longitud entre 1,2 y 1,6 m.

El número y dimensión de los brazos está en función del avance requerido, la sección del túnel y el

control de la perforación para evitar sobreexcavaciones.

Como criterios generales debe cumplirse que: el número de barrenos que realiza cada brazo sea

aproximadamente el mismo, la superposición de coberturas entre brazos no sea superior del 30%

y el orden de ejecución delos barrenos sea el que permita globalmente unos tiempos de

desplazamiento de los brazos menor.

Para calcular el número de brazos de que debe disponer un jumbo por cada operador y el

rendimiento del mismo, pueden emplearse las siguientes fórmulas:

donde:

Nb = Número de brazos por operador.

Pj = Producción del jumbo por operador (m/h).

Lv = Longitud de la varilla (m).

VP= Velocidad de penetración (m/h).

tm = Tiempo de sacar varilla, movimiento de la deslizadera y emboquille (1-2 min).

tb = Tiempo de cambio de boca (1,5 - 3 min).

lb = Metros de barreno por cada boca (m).

e = Eficiencia del operador (0,5 - 0,8).

Las deslizaderas suelen estar constituidas por vigas de aluminio, que proporcionan una elevada

resistencia a la torsión y un bajo peso, y disponen el motor o el cilindro de avance en la parte

posterior de las mismas para evitar los golpes. Además de los centralizadores finales, se emplean

centralizadores intermedios para suprimir el pandeo del varillaje que suele ser de gran longitud y

pequeña sección. Como no es normal añadir varillas para la perforación de una pega, éstas llegan

a tener longitudes de hasta 4,20 m, e incluso mayores. Cuando el operador tiene que controlar

varios barrenos, el control delas deslizaderas puede ser automático con detención de la

perforación cuando se alcanza una profundidad predeterminada, o el martillo ha terminado su



recorrido sobre la deslizadera. Asimismo, es normal incorporar un sistema de paralelismo

automático para eliminar las desviaciones por errores de angulación y dispositivos de emboquille a

media potencia.

Los jumbos más modernos se suministran con cabina de tipo FOPS y ROPS, silenciada para que el

operario disponga de unas buenas condiciones de trabajo y mejore su rendimiento. La cabina

suele disponer de espacio para uno, dos o más operarios, y está dotada con aire acondicionado

para mantener una temperatura constante y controlada. Un número de palancas mínimo con

diseño ergonómico proporciona la comunicación entre el operario y el sistema de control,

auxiliándose además de pantallas de aplicaciones múltiples, cuyos menús se pueden cambiar

fácilmente para conseguir la información deseada.

En los últimos años la técnica de perforación subterránea ha experimentado un fuerte impulso,

basado en una mayor potencia de percusión de los martillos y en la robotización de los equipos. El

control informático permite medir todos los parámetros de la perforación y adaptarlos a las

necesidades requeridas; además, la utilización de precisos sensores y servoválvulas permite

situarlos barrenos en su posición exacta, evitándose así las impresiones provocadas por los errores

humanos.

Figura 19. Evolución de los rendimientos de perforación en túneles y galerías.



Las ventajas principales de la informática; aplicada a los jumbos de perforación se pueden resumir

en:

Ahorro de mano de obra

Menor tiempo de perforación

Menor sobreperforación

Control de la operación

Mayor avance por pega

Ahorro en varillaje y explosivos

Menores costes de excavación, y

Seguridad en el trabajo.

Los jumbos robotizados cuentan básicamente de los siguientes elementos. Que se añaden a los de

un jumbo convencional:

Un ordenador, que almacena los esquemas de perforación, con sus correspondientes

secuencias de movimiento de brazos, y controla la posición de las distintas articulaciones de

los brazos, asf como la situación de los martillos en las deslizaderas.

Unos sensores, que miden en cada articulación los correspondientes ángulos y la posición de

los martillos en las deslizaderas.

Unas servoválvulas, que aportan a cada cilindro el caudal de aceite adecuado' de acuerdo con

los impulsos eléctricos que reciben del microprocesador.

Un monitor, donde se visualizan tanto los esquemas de las pegas, con indicación de los

barrenos ya perforados en perforación y pendientes de perforar: las velocidades de

penetración en cada barreno; los ángulos de divergencia de cada brazo respecto al eje de

referencia, etc.

Figura 20. Jumbo robotizado Axera T-11



La forma previa de operar dé estos jumbos suele ser la siguiente:

Una vez conducido el jumbo hasta el frente, y estabilizado con sus gatos, se alinea una de

las deslizaderas con el láser que marca la alineación del túnel. Para ello, se usan dos dianas

o colimadores situados en uno de los brazos.

El ordenador lee la posición relativa que ha tomado dicha deslizadera respecto al jumbo, y

a partir de la posición de éste respecto al láser efectúa el cambio de coordenadas

correspondientes sobre el esquema de perforación.

A continuación, se indica la roca que más sobresale en el frente, mediante la ayuda de uno

de los brazos. Esta información da al sistema de control un plano de posicionamiento

desde el cual se pueden mover los brazos sin chocar con el frente.

Figura 21. Alineación de la deslizadera con el rayo láser.

Una vez finalizado el posicionamiento, existen tres modos distintos de operación: automático,

semiautomático y manual.

o Automático. El jumbo es manejado totalmente por el ordenador de a bordo, posicionando

automáticamente cada brazo frente al correspondiente punto de emboquille de acuerdo

con la secuencia programada.

Después de aproximar la deslizadera hasta el frente, se inicia el emboquillado del barreno

con percusión reducida y se continúa la perforación del taladro en régimen normal. Una

vez concluido se

Retira el martillo y automáticamente se mueve el brazo para iniciar el barreno siguiente. El

barreno a en este caso, solamente supervisa la correcta ejecución de la perforación.



o Semiautomático. Cuando las regularidades del frente impiden emboquillar algún barreno

en el punto programado, el perforista moverá el brazo a una nueva zona, cerca de la

mostrada en el esquema de perforación. El sistema de control ajustará automáticamente

la dirección de avance de modo que el fondo del barreno esté en el punto previsto.

o Manual. El jumbo se puede operar manualmente como uno normal, sin intervención del

ordenador. Este modo de operación es útil para perforar los taladros de bulonaje u otras

aplicaciones no coincidentes con el avance convencional.

Los esquemas de perforación se diseñan en un ordenador personal en la oficina pudiendo

obtenerse por impresora gráficos de cada uno de ellos. La instalación en los jumbos se hace

fácilmente mediante disquetes de 3,5", con toda la información almacenada.

En cada esquema de perforación cada l barreno aparece asociado con la siguiente información:

Número de barreno.

Coordenadas X e Y.

Divergencia.

Tipos de barreno: vacío, del cuele, de contorno, de destroza, y de zapatera.

También aparecen en los esquemas de perforación barrenos imaginarios, que representan:

El punto de referencia (marcado por ejemplo con 0).

Las posiciones de descanso de los brazos cuando no estén perforando (marcadas con -1, -2 o -

3).

Otra información adicional corresponde a la secuencia de barrenos de cada brazo. Se pueden

programar dos o más brazos para perforar el mismo barreno, lo cual dará lugar a que sea realizado

por el brazo que llegue primero al número de taladro indicado en la secuencia.

A la hora de establecer la secuencia de cada brazo, se procurará seguir los siguientes criterios:

- Utilización simultánea de todos los brazos.

- Evitar que los brazos trabajen muy cerca uno de otro.

- Evitar que un brazo trabaje en la vertical de otro, para eliminar el riesgo de caída de rocas.

Los jumbos robotizados pueden excavar fácilmente túneles con curvas. Cuando el equipo está

situado en el frente, en el sistema de control se programan los valores de compensación de las

direcciones, ajustándose éstas automáticamente.

Durante la operación, el sistema de control actualiza continuamente el esquema de perforación

mostrando en el monitor el estado de los barrenos: sin perforar, a perforar, a continuación,

perforando. Los barrenos del cuele se muestran actuando en un menú especifico, ya que los

taladros se encuentran a distancias muy pequeñas.

Por otro lado, se puede disponer de un completo conjunto de datos de cada barreno para su

posterior análisis: velocidad de penetración, presión de percusión, presión de avance, presión de



rotación y presión de barrido. Estas curvas, procedentes del registro continuo de los parámetros,

proporcionan valiosa información acerca de las condiciones geológicas del terreno, así como de la

propia máquina, por ejemplo los tiempos muertos de parada, cambios de material fungible, etc.

También se puede archivar la función real en que se ha perforado cada barreno y compararla con

la teórica.

Como se registra la hora de comienzo y fin de la perforación, es posible conocer de una forma

exacta la duración del ciclo completo de trabajo en el frente.

Una vez hecha la voladura, el equipo de topografía procederá a obtener el perfil del túnel

mediante un perfilómetro, ayudando así a corregir los ángulos de los barrenos de contorno para

conseguir una sobreperforación mínima.

Los diámetros de perforación dependen de la sección de los túneles o galerías, que para una roca

de resistencia media a dura pueden fijarse según lo indicado en la Fig. 21

Figura 22. Diámetros de perforación usados según la sección de excavación.

Como para esos calibres el varillaje, tanto si es integral como extensible, está entre los 25 mm y los

37 mm de diámetro, las perforadoras de interior son mucho más ligeras que las de cielo abierto

con energías por golpe más bajas y frecuencias de impacto mayores. En cuanto a los martillos, la

tendencia ha sido la utilización progresiva de los accionados de forma hidráulica en sustitución de

los neumáticos, debido a todas las ventajas descritas en epígrafes precedentes, a las que hay que

añadir aquella que se refiere a la de menor contaminación por las nieblas de aceite y eliminación

de los problemas de hielo en escapes.

Para la perforación de grandes túneles o cámaras, se utilizan los jumbos de estructura porticada

Fig.23. Dichas estructuras se diseñan para un trabajo específico y permiten el paso de la

maquinaria de carga y transporte del material volado habiendo trasladado el jumbo previamente a

una distancia adecuada del frente.



Figura 23. Jumbos de tipo pórtico

Estos jumbos pueden llevar montados gran número de brazos, así como las cestas de

accionamiento hidráulico para permitir a los artilleros la carga de los barrenos o proceder a las

labores de sostenimiento.

B. Perforadoras de barrenos largos en abanico

En minería metálica subterránea se aplican con frecuencia los métodos de explotación conocidos

por cámaras y hundimientos por subniveles. Para el arranque con explosivos es necesario perforar

con precisión barrenos de longitudes entre los 20 y 30 m, dispuestos en abanico sobre unos planos

verticales o inclinados, ascendentes y descendentes.

Inicialmente se empleaban martillos neumáticos con diámetros entre 50 y 65 mm. Los

rendimientos de perforación y productividades en el arranque que se conseguían eran bastante

bajos.

Los equipos que, aún hoy día, se utilizan constan de unos martillos montados sobre deslizaderas,

generalmente de tornillo sinfín, que sujetas a unos soportes de balancín o coronas ancladas a una

barra transversal, permiten cubrir todo un esquema de perforación en abanico desde una misma

posición.

Los equipos más pequeños van instalados sobre un patín o skip conectado a un panel de control y

los medianos sobre vagones de neumáticos autopropulsados.

Las unidades disponen de control remoto para el manejo de las perforadoras, así como de

engrasadores de línea y dispositivos de apoyo sobre los hastiales de la excavación para evitar los

movimientos del conjunto.

Últimamente, el empleo de martillos hidráulicos y varillajes pesados ha permitido llegar a

diámetros de 102 y 115 mm haciendo de nuevo interesantes estos métodos de laboreo, ya que



habían perdido terreno frente a otros alternativos como el de cráteres invertidos o cámaras por

banqueo.

Los equipos de mayor envergadura disponen de un sistema de perforación electrohidráulico,

semejante al de los jumbos sobre neumáticos, y un motor térmico para los traslados o incluso para

el accionamiento de la central hidráulica.

Los chasis son generalmente rígidos sobre orugas o neumáticos, aunque existen también unidades

articuladas sobre neumáticos. Las deslizaderas varían según el fabricante, pudiendo ser de cadena,

tornillo sinfín o de cilindro telescópico. Estas deslizaderas pueden moverse lateral mente para

perforar barrenos paralelos o girar 3600 para realizar barrenos en abanico.

Para conseguir un posicionamiento firme y seguro durante el emboquille y la perforación se

dispone de cilindros de anclaje de techo y muro.

Figura 24. Vagón de perforación y equipo sobre patín para la ejecución de barrenos largos (Atlas

Copco).

Figura 25. Equipo de perforación de barrenos largos montado sobre chasis de neumáticos (Atlas

Copco).



C. Perforación de barrenos largos de gran diámetro

La aplicación del método de Cráteres Invertidos y su derivado de Barrenos Largos supuso hace

algunos años una revolución en la minería metálica, ya que permiten el empleo de grandes

diámetros y esquemas de perforación, que se traducen en unos altos rendimientos y

productividades y bajos costes de arranque.

Figura 26. Equipo subterráneo de perforación con martillo en fondo

La perforación se realiza en diámetros que oscilan entre los 100 y 200 mm, y generalmente con

martillos en fondo de alta presión con los que se consiguen velocidades de penetración

interesantes, aunque existen algunas máquinas montadas sobre neumáticos, el tipo de chasis más

utilizado es el de orugas. Las principales diferencias de estos carros si se comparan con los de cielo

abierto son:

Tienen un diseño más compacto con una deslizadera más corta y robusta, y sistema de avance por

cilindro hidráulico o cadena.

- Disponen de gatos hidráulicos de nivelación.

- La cabeza de rotación proporciona un gran par de giro y amplio control sobre la velocidad de

rotación.

Además de la perforación de los barrenos de producción se utilizan en otros trabajos como son:

taladros para desagües, ventilación, rellenos hidráulicos, conducción de líneas eléctricas, cueles en

galerías y túneles, así como para el avance de chimeneas.



5.2 Sistemas de montaje para aplicaciones a cielo abierto

En los trabajos a cielo abierto los sistemas de montaje de las perforadoras son: chasis ligeros con

neumáticos, carros de orugas y sobre camión. Fig.27. Los primeros intentos para mecanizar los

trabajos en canteras consistieron en la utilización de vagones de perforación con ruedas. Estos

vagones constan de un pequeño chasis en U con dos ruedas fijas V una tercera giratoria, en cuyo

soporte va fijada la barra de tiro para el transporte. Las perforadoras van montadas sobre las

deslizaderas, las cuales pueden girar en un plano vertical sobre una barra o soporte transversal.

Fig. 28.

Figura 27. Sistemas de montaje de perforadoras de superficie.

Cuando se utiliza martillo en fondo es el motor de rotación neumático el que se coloca sobre la

deslizadera. El principal inconveniente de estos equipos es el tiempo invertido en el

posicionamiento y traslado.

El sistema de montaje más popular es el constituido por los carros sobre orugas. Los tipos de

carros que existen en la actualidad pueden dividirse en dos grupos: neumáticos e hidráulicos.

Los carros neumáticos, que son los más antiguos, constan de los siguientes componentes

principales:

- Tren de orugas.

- Motores de traslación.

- Chasis.



- Central hidráulica auxiliar.

- Brazo y deslizadera.

- Motor de avance, y

- Martillo.

Las orugas son independientes y llevan un cilindro hidráulico en cada una de ellas, interconectados

para amortiguar el movimiento oscilante, evitar los choques durante los desplazamientos sobre

terreno accidentado y permitir la perforación desde posiciones difíciles. La altura sobre el suelo es

un criterio de diseño importante para salvar obstáculos durante los traslados.

Figura 28. Vagón perforador sobre neumáticos.

Figura 29. Carro de orugas neumático (Ingersoll-Rand).



Los motores de tracción son independientes y de accionamiento neumático, de tipo pistón, con

engranajes cubiertos conectados a los mandos finales y frenos de disco.

Figura 30. Movimiento oscilante de las orugas (Atlas Copco).

El accionamiento de los cilindros hidráulicos de los brazos y de las deslizaderas se realiza por

medio de una bomba hidráulica movida por un motor neumático.

Los brazos de estos equipos pueden ser fijos, extensibles y articulados, y van anclados a un punto

del chasis. En la Fig.31 se indican los movimientos principales de que están dotadas las

deslizaderas y brazos de estas unidades.

Figura 31. Movimientos del brazo y deslizadera.

Los brazos más sofisticados, generalmente, se utilizan en obras públicas, pues en minería los

trabajos son más rutinarios y sobre superficies más uniformes.

Las deslizaderas disponen de: motor de avance, martillo o cabeza de rotación, control de mandos

de la perforación, centralizador y soporte para las varillas.



Los motores de avance son de tipo pistón y accionan las cadenas de las deslizaderas.

Cuando se perfora con martillo en cabeza éstos van montados sobre la deslizadera y en el caso de

emplear martillo en el fondo, son los cabezales de rotación neumáticos los que se colocan sobre

las mismas.

El centralizador o mordaza-guía asegura el correcto comienzo de los barrenos y posibilita: el

cambio de varillaje.

El panel de mandos suele ir instalado sobre la deslizadera y posibilita la selección de los

parámetros de perforación más adecuados para cada tipo de roca. Los controles de los motores de

tracción y cabrestantes se colocan generalmente sobre un brazo giratorio que permite al operador

alejarse de la máquina para moverla en condiciones de mayor seguridad.

Estos carros llevan en la parte posterior un gancho para el arrastre del compresor.

Cuando se utilizan perforadoras con martillo en fondo, con el fin de disminuir el consumo de aire

se ha introducido el accionamiento hidráulico en las siguientes componentes: motores de

traslación, motores de avance, cabezas de rotación y movimientos de la pluma y deslizadera. El

ahorro energético que se consigue es elevado tal como se refleja en la Fig. 32.

Figura 32. Ahorro de energía en perforadoras neumáticas con martillo en fondo y accionamientos

hidráulicos.

Los carros de perforación totalmente hidráulicos presentan sobre los equipos neumáticos las

siguientes ventajas:

- Menor potencia instalada y, por tanto, menor consumo de combustible.

- Diseño robusto y compacto que suele incorporar el compresor de barrido a bordo.

- Velocidad de desplazamiento elevada y gran maniobrabilidad.

- Gama amplia de diámetros de perforación, 65 a 125 mm, existiendo en el mercado equipos

que trabajan entre 200 y 278 mm.



- Posibilidad de colocar un cambiador automático de varillas de perforación.

- Velocidades de perforación de un 50 a un 100% más altas que con las unidades neumáticas.

- Mejores condiciones ambientales.

- Menores costes de perforación.

Por el contrario, los inconvenientes son:

- Mayor precio de adquisición.

- Se precisa un mantenimiento más cuidadoso y cualificado.

- La indisponibilidad mecánica suele ser mayor que en los equipos neumáticos que son de fácil

reparación.

En cuanto al diseño, conceptual mente son semejantes a los carros neumáticos, si bien presentan

una serie de diferencias que pueden concretarse en:

La fuente de energía suele ser un motor diésel, aunque existen unidades eléctricas que accionan la

central hidráulica y el compresor para el aire de barrido.

- Las bombas hidráulicas, generalmente cuatro, son de caudal fijo, aunque también existen

unidades en el mercado que incorporan algunas bombas de caudal variable.

- La presión máxima del fluido hidráulico suele ser inferior a los 20 MPa.

- Como elementos opcionales que suelen llevar más frecuentemente, además del captador de

polvo, están las cabinas del operador insonorizadas y climatizadas y los cambiadores

automáticos de varillas, cabrestantes y gatos hidráulicos.

- La mayoría de las casas fabricantes incorporan sistemas antiatranques. Fig. 34.

- Las orugas disponen de tensores ajustables hidráulicamente.

- Los motores de tracción suelen ser del tipo de pistones axiales inclinados con desplazamiento

fijo y simétrico para poder girar en ambos sentidos.

- Las deslizaderas llevan un tambor desplazable de recogida y guiado de las mangueras

hidráulicas.

- Los motores de avance hidráulicos ejercen fuerzas máximas hacia adelante y hacia atrás entre

20 y 32 kN, con velocidades de avance de hasta 40 m/min.

- La guía de las varillas es hidráulica así como el tope de ésta.

- El depósito de combustible tiene capacidad suficiente para operar durante uno o dos relevos

en algunos casos.

El montaje sobre camión sólo se utiliza con equipos rotativos y/o de martillo en fondo que

disponen de compresores de alta presión.

En ocasiones, se utilizan pequeñas palas de ruedas multiuso equipadas con un brazo retro sobre el

que se monta una perforadora.



Estas unidades son capaces de perforar barrenos de 22 a 89 mm de diámetro con varillaje integral

o extensible. Los trabajos que realizan más frecuentemente son: perforación secundaria, zanjas,

cimentaciones, etc.

Figura 33. Carro hidráulico (Atlas Copco).

Figura 34. Esquema de funcionamiento del sistema antiatranques (Tamrock).

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