Métodos y equipos de perforación

5/11/2018 M todos y equipos de perforaci n - slidepdf.com

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Métodos y equipos de perforación

Existen distintos métodos de perforación de rocas, diferenciados principalmente por el tipo de energía que utilizan(Ej: mecánicos, térmicos, hidráulicos, etc.). En minería y en obras civiles, la perforación se realiza, actualmente,utilizando energía mecánica.

Métodos de perforación de rocas

Actualmente, en trabajos de minería -tanto a rajo abierto como en minería subterránea- y en obras civiles, laperforación se realiza utilizando energía mecánica, lo que define distintos métodos de perforación y componentesde perforación.

Los principales componentes de un sistema de perforación de este tipo son:

Perforadora, fuente de energía mecánica.Varillaje, medio de transmisión de dicha energía.Broca o bit, herramienta útil que ejerce energía sobre la roca.Barrido, efectúa la limpieza y evacuación del detrito producido.

Clasificación de las perforaciones

Según el método mecánico de perforación

Métodos rotopercutivosson muy utilizados en labores subterráneas y trabajos menores en minería a cielo abierto (precorte), tanto si elmartillo se sitúa en la cabeza como en el fondo de la perforación. En este método tiene lugar la acción combinadade percusión, rotación, barrido y empuje.

Perforación rotopercutivacorresponde al sistema más clásico de perforación de rocas, utilizado desde el siglo XIX. En este tipo deperforación se emplea la acción combinada de percusión, rotación, empuje y barrido, ya sea en equipos manualespara labores menores (pequeña minería y obras civiles de poca envergadura) o mecanizados( principalmente en



minería subterránea de gran escala; ej: minas subterráneas de Codelco) y en obras civiles de gran envergadura,como la construcción de una caverna o túnel carretero.

Las principales ventajas de este método de perforación, en comparación al método rotativo, son:Es aplicable a todos los tipos de roca, desde las más blandas hasta las más duras.Permite una amplia gama de diámetros de perforación (desde 1" hasta 8").En el caso de perforación mecanizada, los equipos tienen gran movilidad (la perforadora puede ser montada en

camiones sobre ruedas).Requiere de una persona para operar la perforadora.

Métodos rotativosse subdividen en dos grupos, según si la penetración en la roca se realiza por trituración (triconos) o por corte(brocas especiales). El primer sistema se aplica en rocas de dureza media a alta y el segundo en rocas blandas.En este tipo de perforación no existe la percusión.

Según el tipo de maquinaria

Perforación manualen este tipo de perforación se usan equipos ligeros operados por perforistas. Este método se utiliza en trabajos depequeña envergadura, donde, principalmente por dimensiones, no es posible usar otras máquinas o no se justificaeconómicamente su empleo.

Perforación mecanizadaen una perforación mecanizada, los equipos van montados sobre estructuras llamadas orugas, desde donde eloperador controla en forma cómoda todos los parámetros de perforación.

Según el tipo de trabajo

Perforación de banqueoperforaciones verticales o inclinadas utilizadas preferentemente en proyectos a cielo abierto y minería subterránea(L.B.H.). Este tipo de perforación se emplea, en general, para la minería a cielo abierto y para algunos métodos deexplotación subterránea, como el hundimiento por subniveles.

Perforación de avance de galerías y túnelesperforaciones preferentemente horizontales llevadas a cabo en forma manual o mecanizada. Los equipos ymétodos varían según el sistema de explotación, pero por lo general, para minería en gran escala subterránea seutilizan los equipos de perforación llamados "jumbos", que poseen desde uno a tres o más brazos de perforacióny permiten realizar las labores de manera rápida y automatizada.

Perforación de produccióncon este nombre se conoce al conjunto de trabajos de extracción del mineral que se realiza en las explotacionesmineras. Una perforación de producción corresponde a la que se ejecuta para cumplir los programas deproducción que están previamente establecidos.

Perforación de chimeneas y piquesse trata de las labores verticales, que son muy utilizadas en minería subterránea y en obras civiles. En ellas seemplean métodos de perforación especiales, entre los cuales destacan el Raise Boring y la jaula trepadoraAlimak.

Perforación con recubrimiento

se utiliza por ejemplo, en perforación de pozos de captación de aguas y perforaciones submarinas.

Perforación con sostenimiento de rocaseste tipo de perforación se emplea principalmente en labores subterráneas cuando se requiere colocar pernos deanclaje, y se realiza como método de fortificación para dar así estabilidad al macizo rocoso.

Equipos de perforación manual



Es el sistema de perforación más convencional de perforación, utilizado por lo general para labores puntuales yobras de pequeña escala debido principalmente a la facilidad en la instalación de la perforadora y a losrequerimientos mínimos de energía para funcionar (un compresor portátil). Esto permite realizar labores deperforación en zonas de difícil acceso sin que sea necesario personal muy experimentado para la operación ymantención de las perforadoras, lo que significa un menor costo por metro perforado.

Perforación manual con martillo en cabeza

Este sistema de perforación se puede calificar como el más clásico o convencional, y aunque su empleo por accionamiento se vio limitado por los martillos en fondo y equipos rotativos, la aparición de los martillos hidráulicosen la década de los setenta lo ha hecho resurgir, ampliando su campo de aplicación.

Perforadoras neumáticas

En este tipo de perforadoras, el martillo es accionado por aire comprimido. Los principales componentes de estesistema son:Cilindro cerrado con una tapa delantera que dispone de una abertura axial donde va colocado el elementoportabarras, así como un dispositivo retenedor de barras de perforación.

El pistón, que con su movimiento alternado golpea el vástago o culata a través de la cual se transmite la onda dechoque a las barras.

La válvula, que regula el paso de aire comprimido en un volumen determinado y de manera alternativa a la parteanterior y posterior del pistón.El mecanismo de rotación, ya sea 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 de las barras.

Accesorios

Empujadoresson los accesorios utilizados para dar el empuje que requiere la perforadora. Básicamente, un empujador constade dos tubos: uno exterior de aluminio o de un metal ligero y otro interior de acero, el que va unido a laperforadora. El tubo interior actúa como un pistón de doble efecto, controlándose su posición y fuerza de empujecon una válvula que va conectada al circuito de aire comprimido. Esto permite avanzar con la perforación y usar elaccionamiento neumático del empujador para el avance respectivo.

Barrenas integraleses el conjunto de barras que unen la fuente de energía mecánica (pistón) con la roca mediante el bit. Las barrasintegrales están constituidas por un culatín que está en contacto directo con el pistón de la perforadora y unabarra que va unida a la broca o bit, que es el elemento que está en contacto con la roca. Este dispositivo es el queejerce el mecanismo de fractura y avance sobre el macizo rocoso.



Características principales

Las longitudes de perforación que se alcanzan mediante este sistema de perforación neumático suelen no superar los 30 m debido a las importantes pérdidas de energía en la transmisión de la onda de choque y desviaciones quetienen lugar en la perforación.

Característica Valores

Relación diámetro pistón/diámetro deperforación

15/1,7 mm/mm

Carrera del pistón 35 - 95 mm

Frecuencia de golpeo 1500 a 3400 golpes/min.Velocidad de rotación 40 - 400 RPM

Consumo relativo de aire2,1 - 2,8 (m3/min cmdiámetro)

El campo de aplicación de las perforadoras neumáticas de martillo en cabeza se ha ido estrechando cada vezmás hacia perforaciones cortas -de longitudes entre 3 y 15 m, y diámetros entre 50 mm a 100 mm-,fundamentalmente debido a que la frecuencia de impactos y la forma de la onda de choque que se transmite conpistones de gran diámetro conllevan a un elevado consumo de aire comprimido (2,4 m3/min por cada centímetrode diámetro) y a fuertes desgastes que se producen en todos los accesorios (barras, manguitos, brocas, etc.).

Estas características constituyen la principal desventaja de las perforadoras neumáticas. No obstante, estosequipos presentan aún numerosas ventajas:

Gran simplicidad de manejo.

Fiabilidad y bajo costo de mantenimiento.Facilidad de reparación.Bajos precios de mercado.Posibilidad de funcionar conectados a antiguas instalaciones de aire comprimido de minas subterráneas.

Perforación mecanizada

La necesidad de incrementar los diámetros de perforación (sobre 3") para responder a mayores ritmos deproducción en las faenas mineras, y el desarrollo tecnológico en el ámbito de la automatización de lasoperaciones introdujeron importantes cambios a la perforación de rocas.

La mecanización utiliza sistemas que permiten relacionar los valores de las variables de rotación, empuje,percusión, barrido con los de las variables dependientes de la roca (dureza, resistencia) y con las posibilidades delos equipos de perforación, en función de una mayor velocidad de penetración y mayor rendimiento, que en

definitiva llevan a un menor costo por metro perforado.

Perforadoras hidráulicas con martillo en cabeza (O.T.H)

A finales de los años sesenta y comienzo de los setenta tuvo lugar un gran avance tecnológico en la perforaciónde rocas a causa del desarrollo de los martillos hidráulicos.

Una perforadora hidráulica consta básicamente de los mismos elementos que una neumática. Sin embargo, laprincipal diferencia entre ambos sistemas radica en que las perforadoras hidráulicas utilizan un motor que actúa



sobre un grupo de bombas, las que suministran un caudal de aceite que acciona los componentes de rotación ymovimiento alternativo del pistón.

Martillo hidraúlico

Aunque en un principio la introducción de estos equipos fue más importante en trabajos subterráneos, con eltiempo se han ido imponiendo en las faenas de perforación de superficie, complementando a las perforadorasneumáticas.

La perforación hidráulica supone una superioridad tecnológica en relación con la perforadora neumática debido alas siguientes características:

Menor consumo de energíalas perforadoras hidráulicas trabajan con fluidos a presiones muy superiores a las accionadas neumáticamente y,además, las caídas de presión son mucho menores. Por lo tanto, la utilización de la energía es más eficiente,siendo necesario sólo 1/3 de la energía que se consume con los equipos neumáticos.

Menor costo de accesorios de perforaciónen los martillos hidráulicos la transmisión de energía se efectúa por medio de pistones más alargados y de menor diámetro que los de los martillos neumáticos. La fatiga generada en las barras depende de la sección y deltamaño del pistón. La forma de la onda de choque es mucho más uniforme en los martillos hidráulicos que en losneumáticos, donde se producen niveles de tensión muy elevados, que son el origen de la fatiga sobre el acero yde una serie de ondas secundarias de bajo contenido energético. En la práctica, se ha comprobado que la vida útilde la sarta se incrementa en 20% para perforadoras hidráulicas.

Mayor capacidad de perforación

debido a la mejor transmisión de energía de la onda, las velocidades de penetración de las perforadorashidráulicas son entre 50% y 100% mayores que en los equipos neumáticos.

Mejores condiciones ambientaleslos niveles de ruido en una perforadora hidráulica son sensiblemente menores a los generados por una neumáticadebido a la ausencia del escape de aire. Además, la tecnología de la perforadora hidráulica ha logrado eldesarrollo de mejores diseños de equipos, haciendo que las condiciones generales de trabajo y seguridad seanmucho más favorables.

Mayor elasticidad de la operaciónen la perforadora hidráulica es posible variar la presión de accionamiento del sistema, la energía por golpe y lafrecuencia de percusión.

Mayor facilidad para la automatizaciónestos equipos son mucho más aptos para la automatización de operaciones, tales como el cambio de varillaje ymecanismos antiatranque, entre otros.

Por el contrario, los inconvenientes que presentan son:

Mayor inversión inicial debido a todos los componentes asociados a la perforadora, a su sistema de avanceautomático y a las características de las fuentes de energía que utiliza (energía eléctrica e hidráulica).

Reparaciones más complejas y costosas que en las perforadoras neumáticas, requiriéndose una mejor organización y formación de personal de mantenimiento.



Principales características

Característica Unidades

Presión de trabajo 7,5 - 25 MPa

Potencia de impacto 6 - 20 kw

Frecuencia de golpeo 2000 - 5000 golpes/min

Velocidad de rotación 1 - 500 RPM

Consumo relativo de aire 0,6-0,9 (m3/min. cm diámetro)

Perforadoras con martillo en fondo (D.T.H)

Los martillos que poseen estos equipos fueron desarrollados por Stenuick en 1951, y desde entonces se hanvenido utilizando tanto en minas a cielo abierto como en minas subterráneas asociadas al uso de métodos deexplotación de tiros largos (L.B.H.) y V.C.R.

Actualmente, en el caso de obras de superficie, este método de perforación está indicado para rocas duras ydiámetros superiores a los 150 mm.

El funcionamiento de un martillo en fondo se basa en que el pistón golpea directamente a la broca durante laperforación, generalmente con una frecuencia de golpeo que oscila entre 600 y 1.600 golpes por minuto.

El fluido de accionamiento es aire comprimido, que se suministra a través de un tubo que constituye el soporte yhace girar el martillo. La rotación es efectuada por un simple motor neumático o hidráulico montado en el carrosituado en superficie (figura anterior).

La limpieza del detrito se efectúa por el escape del aire delmartillo a través de los orificios de la broca.

Considerando la posible percusión en vacío de los martillosque implica una pérdida de energía, los martillos de estasperforadoras suelen ir provistos de un sistema de protección,que cierra el paso del aire al cilindro cuando la broca no seapoya en la roca del fondo del taladro.

En el caso de la perforación de rocas en presencia de agua, puede ocurrir que la columna de agua disminuya elrendimiento de la perforación, por lo que es aconsejable disponer de un compresor con una presión de airesuficiente para proceder a la evacuación del líquido.

Parte interior de un martillo D.T.H.



En cuanto al empuje, una regla práctica es la de aproximarse a los 85 kg por cada centímetro de diámetro. Unempuje excesivo no aumentará la penetración, sino que acelerará los desgastes de la broca y aumentará losesfuerzos sobre el sistema de rotación. Cuando se perfore a alta presión (en rocas de gran resistencia como ungranito) se precisará al inicio una fuerza de avance adicional para superar el efecto de contraempuje del aire delfondo de la perforación. Por el contrario, cuando la profundidad de perforación sea grande (sobre 20 metros) y elnúmero de tubos sea tal que supere el peso recomendado será necesario entonces que el perforista accione laretención y rotación para mantener un empuje óptimo sobre la broca.

Las velocidades de rotación recomendadas varían en función del tipo de roca. Los valores se señalanen la siguiente tabla:

Velocidades de rotación aconsejadas en función del tipo de roca

Tipo de roca Velocidad de rotación (RPM)

Muy blanda 40-60

Blanda 30-50

Media 20-40

Dura 10-30

En la práctica, puede ajustarse la velocidad de rotación a la de avance utilizando la siguiente expresión:

Velocidad de rotación (RPM) = 1.66 x Velocidad de penetración (m/h)

En cuanto al tamaño de las barras, éstas deben tener dimensiones adecuadas que permitan la correctaevacuación de los detritos por el espacio anular que queda entre ellas y la pared del barreno. Los diámetrosrecomendados en función del diámetro de perforación se señalan en la siguiente tabla:

Diámetros recomendados en función del diámetro de perforación

Diámetro de perforación (mm)Diámetro de las barras

(mm)

102-115 76

127-140 102

152-165 114

200 152

La perforación con martillo en fondo presenta ventajas en relación con la utilización del martillo en cabeza:

La velocidad de penetración se mantiene prácticamente constante a medida que aumenta la profundidad de laperforación.Los desgastes de las brocas son menores que con martillo en cabeza debido a que el aire de accionamiento que

pasa a través de la broca limpiando la superficie del fondo asciende eficazmente por el pequeño espacio anular que queda entre la tubería y la pared del pozo.La vida útil de las barras es más larga en relación con las utilizadas con martillo en cabeza.Las desviaciones de los barrenos son muy pequeñas, por lo que son apropiados para perforaciones de gran

longitud.El costo por metro lineal en diámetros grandes y rocas muy duras es menor que con perforación rotativa.El consumo de aire es más bajo que con martillo en cabeza neumático.El nivel de ruido en la zona de trabajo es inferior al estar el martillo dentro de la perforación.

El martillo en fondo presenta ciertos inconvenientes respecto del martillo en cabeza, los que se señalan acontinuación:

Cada martillo está diseñado para una gama de diámetros muy estrecha, que oscila entre 12 y sobre 200 mm.El diámetro más pequeño está limitado por las dimensiones del martillo con un rendimiento aceptable, que en la

actualidad es de unos 76 mm.Existe un riesgo de pérdida del martillo dentro de los barrenos por desprendimientos de roca.Se precisan compresores de alta presión con elevados consumos energéticos.



Dimensiones y características principales

En la siguiente tabla se señalan las principales características de algunos martillos en fondo:

Diámetros recomendados en función del diámetro de perforación

Características Dimensiones

Diámetro de perforación (mm) 100 - 125 - 150 - 200 - 300

Diámetro del pistón (mm) 75 - 91- 108 - 148 - 216

Carrera del pistón (mm) 100 - 102 - 102 - 100 - 100

Peso del martillo (kg) 38,5 - 68,5 - 106 - 177- 624

Consumo de aire (m3/min a 1 MPa) 4,7 -6,7 -10,1 -17,1 - 28,2

Accesorios de perforación en equipos mecanizados

Deslizaderas

Uno de los accesorios que sirven para alojar el elemento de perforación (pistón) y realizar el avance en formamecanizada es la llamada "deslizadera", la que va montada en los brazos de los jumbos y a la que se puede

incorporar un conjunto de aparatos automatizados e integrados al panel de control del operador.

Deslizaderas de cadenaeste sistema de avance está formado por una cadena que se desplaza por dos canales y que es arrastrada por unmotor neumático o hidráulico, según el fluido que se utilice en el accionamiento del martillo, a través de unreductor y piñón de ataque. La cadena actúa sobre la cuna del martillo que se desplaza sobre el lado superior dela deslizadera.

Este sistema es muy utilizado tanto en equipos de superficie como subterráneos debido a su bajo precio, a lafacilidad de reparación y a la posibilidad de lograr grandes longitudes de perforación. Algunos inconvenientes deeste sistema son los mayores desgastes en ambientes abrasivos, el peligro que representa si se rompe la cadenaperforando hacia arriba y la dificultad de conseguir un avance suave cuando las penetraciones son pequeñas.

Deslizaderas de tornilloen estas deslizaderas el avance se produce al girar el tornillo accionado por un motor neumático. Este tornillo esde pequeño diámetro en relación con su longitud y está sujeto a esfuerzos de pandeo y vibraciones durante la

perforación. Por esta 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, y gran resistencia aldesgaste. Se trata, además, de un sistema menos voluminoso y más seguro que el de cadenas.

Sin embargo, los inconvenientes que presentan son: un alto precio, mayor dificultad de reparación y longitudeslimitadas.



Deslizaderas hidráulicasel rápido desarrollo de la hidráulica en la última década ha hecho que este tipo de deslizaderas se utilice inclusoen perforadoras neumáticas. El sistema consta de un cilindro hidráulico que desplaza la perforadora a lo largo deuna viga soporte. Las deslizaderas hidráulicas presentan las siguientes ventajas: simplicidad y robustez, facilidadde control y precisión, capacidad para perforar grandes profundidades y adaptabilidad a gran variedad demáquinas y longitudes de barrenos.

Por el contrario, los problemas que plantean son: mayores precios, la necesidad de contar con un accionamiento

hidráulico independiente, se adaptan mejor en las perforadoras rotativas que en las percutivas y presentan másdesgastes en el cilindro empujador.

Sarta de perforación

Esta es uno de los componentes más importantes del equipo de perforación, pues se trata de la estructura queconecta la perforadora con la roca. La sarta está compuesta de los siguientes elementos:

Adaptadores de culatacorresponden a aquellos elementos que se fijan a las perforadoras para transmitir la energía de impacto, larotación y el empuje.

Manguitos o coplasson estructuras que sirven para unir las barras hasta conseguir la longitud deseada, asegurando que los extremos

estén en contacto para una mejor transmisión de energía.

Barras de extensiónson las barras empleadas cuando se perfora con martillo en cabeza. Éstas tienen sección hexagonal o circular yen el caso de emplear perforación manual, generalmente lo que se usa son las barras (barrenas) integrales, lascuales tienen unida la barra y el bit, eliminando el empleo de coplas y mejorando la transmisión de energía. Losprincipales tipos de barras integrales son:

Barras tipo cincel: son las más usadas y se caracterizan por su bajo costo y reparación.Barras de insertos múltiples: para rocas blandas y fisuradas.Barras de botones: usadas para rocas poco abrasivas, de fácil penetración. Por ejemplo, se utilizan en minas de

carbón.

Brocas

las brocas o bits son los elementos que están en directo contacto con la roca que se está perforando. Por estarazón, las características de la roca son importantes de considerar al momento de escoger el tipo de broca.

Las brocas que se utilizan en la perforación son de dos tipos:Pastillas o plaquitasBotones

Roscasestos elementos tienen la función de unir las culatas, coplas, barras y brocas, obteniendo un ajuste eficiente entrelos elementos de la sarta para lograr una adecuada transmisión de energía. Es importante considerar que unapriete excesivo dificulta el desacoplamiento.



Tubosel uso de perforadoras hidráulicas con martillo en cabeza en perforaciones de gran diámetro (sobre 115 mm) hallevado a diseñar tubos de perforación específicos que poseen las siguientes ventajas:

Mayor rigidez, lo que permite reducir las desviaciones.Mejor transmisión de la energía, al no ser necesario el uso de coplas.

Mejor barrido, al existir una mejor transmisión del aire en el espacio anular.

Respecto de los materiales con que se construyen la sarta y sus componentes, es importante considerar que losaceros empleados en la estructura de la sarta deben ser resistentes a la fatiga, a la flexión, a los impactos y aldesgaste. Lo ideal es utilizar aceros con un núcleo no muy duro y una superficie endurecida y resistente aldesgaste de acuerdo con lo siguiente:

Aceros de alto contenido en carbono, en los que la dureza deseada se consigue controlando la temperatura enel proceso de fabricación. La culata se trata por separado para conseguir una alta resistencia a los impactos.

Aceros de bajo contenido de carbono, que se utilizan en barras, adaptadores, coplas y brocas. Se trata deaceros que contienen pequeñas cantidades de cromo y níquel, manganeso y molibdeno.

Los insertos de las brocas se fabrican a partir de carburo de tungsteno y cobalto, ya que estos materiales se

caracterizan por su alta resistencia al desgaste y tenacidad, y pueden conseguirse diferentes combinacionesvariando el contenido de cobalto entre 6% y 12%.Criterios de selección brocas para martillos DTH (Drillco Tools

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