Captulo2PERFORACION ROTOPERCUTIVA1. INTRODUCCIONLa perforacin a rotopercusin es el sistema ms clsico de perforacin de barrenos y su aparicin en el tiempo coincide con el desarrollo industrial del siglo XIX. Las primeras mquinas prototiposde Singer(1838) y Couch (1848) utilizaban vapor para su accio- namiento, pero fue con la aplicacin posterior del aire comprimido como fuente de energa, en la ejecucin del tnel de Mont Cenis en 1861, cuando este sistema evolucion y pas a usarse de forma extensiva. Este hecho unido a la aparicin de la dinamita constituye- ron los acontecimientosdecisivos en el vertiginoso desarrollo del arranque de rocas en minera y obra pblica a finales del siglo pasado.El principio de perforacin de estos equipos se basa en el impacto de una pieza de acero (pistn) que gol- pea a un til que a su vez transmite la energa al fondo del barreno por medio de un elemento final (boca). Los equipos rotopercutivos se clasifican en dos grandes grupos,segn donde se encuentre colocado el marti~110:-Martillo en cabeza. En estas perforadoras dos de las acciones bsicas, rotacin y percusin, se pro- ducen fuera del barreno, transmitindose a travsde una espiga y del varillaje hasta la boca de perfo- racin. Los martillos pueden ser de accionamiento neumtico o hidrulico.-Martillo en fondo. La percusin se realiza directa-- mente sobre la boca tle perforacin, mientras que la rotacin se efecta en el exterior del barreno. Elaccionamiento del pistn se lleva a ~bo neumti-. camente, mientras que la rotacin puede ser neu- mtica o hidrulica.Segn los campos de aplicacin de estas perfora- doras, cielo abierto o subterrneo, las gamas de di- metro ms comunes son:TABLA 2.1DIAMETRODE PERFORACION(mm) TIPODE PERFORADORA Las ventajas principales, que presenta la perforacin rotopercutiva, son:-Es aplicable a todos los tipos de roca, desde blan- das a duras.-La gama de dimetros de perforacin es amplia.-Los equipos son verstiles, pues se adaptan bien a diferentes trabajos y tienen una gran movilidad.-Necesitan un solo hombre para su manejo y opera- cin.-El mantenimiento es fcil y rpido, y-El precio de adquisicin no es elevado.En virtud de esas ventajas y caractersticas, los tipos de obras donde se utilizan son:-En obras pblicas subterrneas; tneles, cavernas de centrales hidrulicas, depsitos de residuos, etc., y de superficie; carreteras, autopistas, exca- liaciones industriales, etc.-En minas subterrneas y en explotaciones a cielo abierto de tamao medio y pequeo.2. FUNDAMENTOS DE LA PERFORACION ROTOPERCUTIVALa perforacin a rotopercusin se basa en la combi- nacin de las siguientes acciones:-Percusin.Los impactos producidos por el gol- peo del pistn originan unas ondas de choquE; que se transmiten a la boca a travs del varillaje(en el martillo en cabeza) o directamente sobreella (en el martillo en fondo).-Rotacin. Con este movimiento se hace girar la boca para que los impactos se produzcan sobre la roca en distintas posiciones.PERcusioN-.",LROTAION'"!%;;CIELOABIERTO SUBTERRANEOMartillo en Cabeza50 - 12738-65 AVANCE ,.BARRIDO "Martilloen Fondo75 - 200100'; 165 Figura 2.1. Acciones bsicas en la perforacin rotopercu-tiva.25-Empuje. Para manteneren contactoel til de perforacincon la roca se ejerce un empuje so-bre la sarta de perforacin.-Barrido. El fluido de barrido permite extraer el detrito del fondo del barreno.El procesode formacinde las indentaciones,con el que se consigueel avance en este sistema de perforacin,se divide en cinco instantes, tal como se refleja en la Fig. 2.2.a.b. a) Aplastamientode las rugosidadesde la roca por contactocon el ti 1.b) Aparicin de grietas radiales a partir de los puntos de concentracinde tensiones y formacin de una cua en forma de V.c)Pulverizacinde la roca de la cua por aplasta- miento.d)Desgajamientode fragmentosmayores en las zo- nas adyacentes a la cua.e)Evacuacindel detrito por el fluido de barrido.c.d.e.~*~,*~~GRIETAS RADIALES DEFORMACIONROCADETRITUSPERFILFINALELASTlCAPULVERIZADAGRUESOSDEL CRATERFigura 2.2. Fasesde formacinde una indentacin.(Hartman, 1959).Esta secuenciase repite con la misma cadencia de1.impactos del pistn sobre el sistema de transmisindeenerga hasta la boca.El rendimiento de este proceso aumenta proporcio- nalmente con el tamao de las esquirlas de roca que seliberan. siendo: E=-mxv2oe2ppEc = Pm X Ap X Ip2.1. PercusinLa energacinticaEc" del pistn se transmite desde el martillo hasta la boca de perforacin,a travs del varillaje, en forma de onda de choque. El despla- zamiento de esta onda se realiza a alta velocidad y su forma depende fundamentalmentedel diseo del pis-tn.Cuando la onda de choque alcanza la boca de per- foracin,una parte de la energa se transformaen trabajo haciendopenetrar el til y el resto se refleja y retrocede a travs del varillaje. La eficienciade esta transmisines difcil de evaluar, pues dependede muchos factores tales como: el tipo de roca, la formay dimensindel pistn, las caractersticasdel vari-llaje, el diseo de la boca, etc. Adems, hay'que tener en cuenta que en los puntos de unin de las varillas por medio de manguitosexisten prdidas de energa. por reflexiones y rozamientosque se transformanen calor y desgastesen las roscas. En la primera unin mp= Masa del pistn.vp = Velocidad mxima del pistn.Pm= Presin del fluido de trabajo (aceite o aire)dentro del cilindro.Ap = Superficie de la cara del pistn.Ip = Carrera del pistn.En la mayora de los martillos hidrulicoslos fabri- cantes facilitan el valor de la energa de impacto, perono sucedelo mismo para los martillos neumticos.Especial cuidado debe tomarse en este caso al estimarPm", ya que dentro del cilindro sta es de un 30 a un40% menor que en el compresor,debido a las prdi- das de carga y expansindel aire al desplazarseel" pistn.La potenciade un martillo es pues la energa por golpe multiplicada por la frecuencia de impactos ng":PmXAplas prdidas oscilan entre el 8 y el 10% de la energa PM = Ec X ng donden = K x (m xl' )+de la onda de choque.En los martillos en fondo la energa del pistn se transmitedirectamentesobre la boca, por lo que el rendimientoes mayor.En estos sistemas de perforacin la potencia de per- cusin es el parmetro que ms influye en la velocidadde penetracin.La energa liberada por golpe en un martillo puede estimarsea partir de cualquierade las expresiones siguientes:26 gppy teniendo en cuenta las expresiones anteriores puede escribirse:2.1=PMK x (Pm X A)p 2 X IP 2m -1p 2El mecanismode percusinconsumede un 80 a un85% de la potencia total del equipo.2.2. RotacinLa rotacin, que hace girar la boca entre impactos sucesivos, tiene como misin hacer que sta acte sobre puntos distintos de la roca en el fondo del ba-rreno. En cada tipo de roca existe una velocidad p-tima de rotacin para la cual se producen los detritusde mayor tamao al aprovechar la superficie libre del UJz0000Q Z110~~3038 - 51Como para esos calibres el varillaje, tanto si es inte- gral como extensible, est entre los 25 mm y los 37 mm de dimetro, las perforadorasde interior son mucho ms ligeras que las de cielo abierto con energas por golpe ms bajas y frecuencias de impacto mayores.En cuanto a los martillos, la tendenciaha sido lautilizacin progresivade los accionadosde forma hi- drulica en sustitucin de los neumticos,debido atodas las ventajas descritas en epgrafes precedentes,a las que hay que aadir aquella que se refiere a la de menor contaminacinpor las nieblas de aceite y elimi- nacin de los problemasde hielo en escapes.Para la perforacin de grandes tneles o cmaras, seutilizan los jumbos de estructuraporticadaFig.2.35. Dichas estructurasse disean para un trabajo espec- fico y permiten el paso de la maquinariade carga y transportedel material volado habiendo trasladado el jumbopreviamentea una distanciaadecuadadelfrente.Figura 2.35. Jumbo de tipo prtico (Tamrock).Estos jumbos pueden llevar montados gran nmero de brazos, as como las cestas de accinamientohi- drulico para permitira los artillerosla carga de losbarrenos o procedera las labores de sostenimiento.B.Perforadorasde barrenos largos en abanicoEn minera metlica subterrnea se aplican con fre- cuencialos mtodosde explotacinconocidospor cmaras y h"undimientos por subniveles. Para ifl arran- que con explosivoses necesarioperforar con preci- sin barrenos de longitudesentre los 20 y 30 m, dis- puestos en abanico sobre un plano vertical o inclinado, ascendentesy descendentes.Inicialmentese empleabanmartillosneumticoscon dimetrosentre 50 y 65 mm. Los re~dimientosde perforaciny productividadesen el arranqueque se conseguaneran bastante bajas.Los equipos que, an hoy da, se utilizan constan de unos martillosmontados sobre deslizaderas,general- mente de tornillosinffn, que sujetas a unos soportes de balancn o coronas ancladas a una barra transversal,permitencubrir todo un esquema de perforacinen abanico desde una misma posicin.Los equipos ms pequeos van instalados sobre un patn o skip conectadoa un panel de controly los medianos sobre vagones de neumticosautopropul-sados.Las unidadesdisponende controlremoto para el manejo de las perforadoras,Rs como de engrasadoresde lnea y dispositivosde apoyo sobre los hastiales de la excavacinpara evitar los movimientosdel con- junto.ltimamente,el empleo de martilloshidrulicos y varillajes pesados ha permitidollegar a dimetrosde102 y 115 mm haciendo de nuevo interesantesestosmtodos de laboreo, ya que haban perdido terreno frente a otros alternativoscomo el de crteres i nverti-dos o cmaras por banqueo.Los equipos de mayor envergaduradisponen de un sistema de perforaci'n electrohidrulico,semejante al de los jumbos sobre neumticos,y un motor trmico para los traslados o incluso para el accionamientode lacentral hidrulica.Los chasis son generalmentergidos sobre orugas o neumticos,aunque existen tambin unidades articu- ladas sobre neumticos.Las deslizaderas varan segn el fabricante, pudiendo ser de cadena, tornillosinffn ode cilindrotelescpico.Estas deslizaderaspuedenmoverse lateral mente para perforar barrenos paraleloso girar 3600 para realizar barrenos en abanico.Para conseguirun posicionamientofirme y seguro durante el emboquilley la perforacin se dispone de cilindrosde anclaje de techo y muro.. C. Perforacin de barrenos largos de gran dimetroLa aplicacindel mtodo de Crteres Invertidos y su"derivadode BarrenosLargos supuso hace algunosFigura 2.36. Vagn de perforacin y equipo sobre patn para la ejecucin de barrenos largos (Atlas Capeo).411500 mm15"\t\ 70"";\\ "\ \~. \ \\ \ ICONTROL REMOTO ./-::->-.~\----//, - .~~:'~-e'f / 1 '-)E E g6210 mm 4200 mmFigura 2.37. Equipo de perforacin de barrenos largos montado sobre chasis de neumticos (Atlas Capeo).aos una revolucin en la mineria metlica, ya quepermiten el empleo de grandes dimetros y esquemas de perforacin, que se traducen en unos altos rendi- mientos y productividades y bajos costes de arranque.La perforacin se realiza en dimetros que oscilan entre los 100 y 200 mm, y generalmente con martillos en fondo de alta presin con los que se consiguen velocidades de penetracin interesantes,,(Aunque existen algunas mquinas montadas sobre neumticos, el tipo de chasis ms utilizado es el de orugas. Las principales diferencias de estos carros si se comparan con los de cielo abierto son: Tienen un diseo ms compactocon una desliza-dera ms corta y robusta, y sistema de avance por cilindro hidrulico O cadena.-Disponen de gatos hidrulicosde nivelacin.-La cabeza de rotacin proporcionaun gran par de giro y amplio control sobre la velocidadde rota-cin.Adems de la perforacinde los barrenosde pro- duccin se utilizan en otros trabajos como son: tala- dros para desages,ventilacin,rellenos hidrulicos,conduccinde lneas elctricas,cueles en galeras ytneles, as como para el avance de chimeneas.E(\Jr(/')~ 125 MOTOR DE AVANCEENERGIA NEUMATICA ENERGIAH IDRAULlCAMOTOR DIESELIMOTORES DE TRASLACION//CARRO NEUMATICO /////// En cuanto al diseo, conceptual mente son seme- jantes a los carros neumticos,si bien presentanuna serie de diferenciasque pueden concretarseen:La fuente de energa suele ser un motor diesel, aunque existen unidades elctricasque accionan la central hidrulica y el compresorpara el aire debarrido.-Las bombas hidrulicas,generalmente cuatro, son de caudal fijo, aunque tambin existen unidades en el mercadoque incorporanalgunasbombasdecaudal variable.-La presin mxima del fluido hidrulico suele ser inferior a los 20 MPa.-Como elementosopcionales que suelen llevar ms frecuentemente,ademsdel captadorde polvo, estn las cabinas del operador insonorizadasy cli- matizadas y los cambiadoresautomticosde vari- llas, cabrestantes y gatos hidrulicos.-La mayora de las casas fabricantesincorporanU-- -- _./ sistemas'antiatranques.Fig. 2.46.::! 100(!)a::75wZ~W50o -IlRRODRlIv- -Las orugasdisponende tensoresajustableshi- drulicamente.-Los motores de traccin suelen ser del tipo de pis- tones axiales inclinados con desplazamientofijo y8090 100110120130140150DIAMETRODE PERFORACION(mm) simtrico para poder girar en ambos sentidos.-Las deslizaderasllevan un tambor desplazabledeFigura 2.44. Ahorro de energia en perforadoras neumticas con martillo en fondo y accionamientoshidrulicos.Los carros de perforacintotalmentehidrulicos presentan sobre los equipos neumticoslas siguientes ventajas:-Menor potenciainstalada y, por tanto, menor con- sumo de combustible.-Diseo robusto y compacto que suele incorporar el compresorde barrido a bordo. recogida y guiado de las manguerashidrulicas.-Los motores de avance hidrulicos ejercen fuerzas mximas hacia adelante y hacia atrs entre 20 y 32 kN, con velocidadesde avance de hasta 40 m/min.-La gua de las varillas es hidruricaas como el tope de sta.-El depsito de combustibletiene capacidadsufi- ciente para operar durante uno o dos relevos en algunos casos.El montaje sobre camin slo se utiliza con equipos45DESLlZADERAHIDRAULlCA DE CADENATAMBORDE TUBERIASFL.EXIBL.ESBRAZO ARTICUL.ADOUNIDAD DE TRACCIONFigura 2.45. Carro hidrulico (Atlas Capeo). GATO HIDRAUL.ICOPERFORACIONJ ANTIATRANQUEtIt Motor de empuje"A'acreoittaepciaran ----..,Alto parFigura 2.46. Esquema de funcionamiento del sistema antiatranques (Tamrock).46rotativos y/o de martillo en fondo que disponen de compresores de alta presinEn ocasiones, se utilizan pequeas palas de ruedas multiuso equipadas con un brazo retro sobre el que se monta una perforadora.Estas unidades son capaces de perforar barrenos de22 a 89 mm de dimetro con varillaje integral o extensi- ble. Los trabajos que realizan ms frecuentemente son: perforacin secundaria, zanjas, cimentaciones, etc.6.3. Perforadoras manualesLas perforadorasmanualesde interiory de cielo abierto son, conceptual mente y forma de trabajo, si- milares, y slo se diferencianen pequeos detalles.La empuadurade las de exterior es abierta, para sujetar el martillo con las dos manos, mientras que en las de interior, con el fin de adaptarlasal barrenado horizontal,la empuaduraes cerrada y para una solamano.En las primeras, el accionamientoy barrido es total-.,tFigura 2.47. Perforadora de mano (Gardner-Denver). mente neumtico,mientras que en las que se utilizan en trabajos subterrneosel barrido puede realizarse con agua y/o aire. La presin del agua debe ser siempre inferior a la del aire para evitar inundar al martillo.Las barrenas se fijan a las perforadoraspor medio deretenedoresen forma de aJdaba. Son de tipo integral con dimetros de perforacinde 22 a45 mm y longitu-des de 400 a 6.400 mm.Los diseos se diferencianen los sistemas de vlvula utilizados,oscilanteo tubular, y mecanismode rota-cin, barra estriada o rueda de trinquetes.En funcindel peso, pueden clasificarseen ligeras, medianas y pesadas (20, 30 Y 40 kg). Los consumos de aire oscilan entre los 50 y 100 l/s y las dimensionesde los pistones y carreras de los mismos varan entre 65 a 80 mm y 45 a70 mm, con frecuenciasde impactosentre 30 y 50golpes por segundo.Para amortiguarel ruido del escape pueden colo- carse silenciadores que rodeen a las camisas de los cilindros,los silenciadoresapenas afectan a las velo- cidades de perforaciny reducen el nivel de ruido en unos 7dB.Las aplicacionesms importantesen los trabajos a cielo abierto son: taqueo de bolos y repis, perforacin para obras de pequeaenvergadura,demoliciones,etc. En los proyectos subterrneos,adems de la per-foracin secundaria,se utilizan como equipos de pro- duccin y tambin en tneles y galeras de pequea seccin y longitud, donde no se justifica la inversin en equipos mecanizados.En estos casos suele trabajarsecon empujadorespara la realizacin de barrenos hori-zontales y columnas o cilindros de avance cuando la perforacin es vertical.7.CAPTADORES DE POLVOLa eliminacindel polvoproducido durante la perforacinse realizacon dos fines:mejorarlascondicionesde trabajo y aumentarla productividad.El polvo de perforacin,especialmentesi la roca presenta un alto contenidoen slice y el tamao es inferior a 0,005 mm, .constituyeun riesgo para la sa-.lud de los operadores, por lo que en muchos pases existen normas de seguridad o higiene que obligan asu eliminacin.Otros argumentostcnicosy econmicosque jus- tifican el empleo de los captado res son:-Menorescostesde mantenimientodel equipo motocompresor,con una disponibilidadmec- nica ms alta.-Mayor velocidadde penetracin,entre un 2 y un10%, debido a que el detrito se arrastra fuera del barrenoevitndosesu remolienda.Adems,eloperadorpuede estar ms cerca de los mandos de la mquina incrementndosela eficienciay el control de la perforacin.-Costes de perforacinms bajos, tantopor el mayor rendimientocomo por la disminucinde los costes de desgastes,fundamentalmentede bocas.47"H~ilbLhJ1. Bom mleCloca2. MO"9,eco de o'pieo"3. U"idad de ilteo4. Tobeco de imp,l,i"Figura 2.48. Captadores de polvo (Atlas Capeo).-Posibilidadde recogermuestrasrepresentativasde las rocas atravesadaspara el control de leyes y planificacin.En la actualidad,todos los equiposde perforacin pueden trabajarcon captado res de polvo, incluidoslos martillos manuales.Presentannotablesventajastcnicas frente a los sistemas de inyeccin de agua o agua con espumante, y stos slo se justifican cuando durante la perforacinlas formacionesrocosas pre-sntan agua.Los captad o res de polvo constan bsicar;:\ente de:-Una campanade aspiracin,que se coloca en la superficieen el punto de emboquilledel barrenoy donde se aspira el polvo que se enva a travs de una mangueraa la unidad de separacinyfiltrado.-Sistemade separaciny filtrado. Se realiza en dos etapas: en la primera se efecta un ciclonado separandola mayor parte ,del polvo grueso y la totalidad de las partculasgrandes,y en la se- gunda se lleva a cabo el filtrado reteniendoel resto del polvo con unos tamaosinferiores a las5 .1m.-Sistema de depresin o vaco parcial del conjunto,48 con ventilador situado en la etapa final despus dela unidad de filtrado y que se accionacon una fuente de energa elctrica o hidrulica, y ocasio- nalmente de forma neumtica.La campana de aspiracin tiene dos aberturas:una en la parte superior para dejar paso al varillaje y otra en la inferior de mayor dimetro por donde pasa el aire de barrido con el detrito y polvo. El diseo de la campana debe evitar las fugas de aire dentro de la misma al producirse la expansin del polvo de perforacin.Esto se consigue en los equipos pequeos gracias a la suc-cin del ventilador, y en los equipos grandes medianteun eyector de aire comprimidoque aumentadicha capacidadde succin,Los captadorespequeostienen filtros tubulares, con retencin interior, mientras que en los grandes se suelen utilizar filtros planos con retencinexterior.La limpieza de los filtros se realiza regular y autom- ticamente en cada cambio de varilla o tubo de perfora- cin. Los filtros tubularesse limpian mediante un vi- brador de bolas que produce la sacudida de stos y enlos de filtros planos con impulsos neumticosde so- plado.El polvo puede recogerseen bolsas o depositarse directamentesobre la superficie del banco.8. INCLlNOMETROSEn los ltimos aos se han desarrolladouna serie de aparatos, conocidoscon el nombre genrico de incli-nmetros, que sirven para controlarla direccin de losbarrenos. Las ventajas que reportan la utilizacinde estos instrumentosson:-Aumento de la productividadal disminuirselos tiemposinvertidosen el posicionamientode las deslizaderas.-Menores errores de alineacinde los taladros, conlo cual es posible ampliar la malla de perforaciny profundidadde los barrenos, reducir el consumo especfficode explosivomanteniendola fragmen- tacin, y disminuirlas sobreexcavacionesy costesde sostenimiento.Existe una gran variedad de modelos que van desde los mecnicos,pasandopor los pticos,hasta los electrnicosque son los que ms se utilizan en laboressubterrneas.Entre los ms conocidosestn los si-guientes: DIT-70 de Atlas-Copco,Inklinatorde Trans- tonic, Inogbn, etc.//d'Figura 2.49. Inclinmetro. -Dimetro del barreno.-Empuje sobre la boca.-Longitudde perforacin.-Limpieza del fondo del barreno.-Diseo del equipo y condicionesde trabajo, y-Eficienciade la operacin.Para un equipo dado, la velocidad de penetracin puede predecirse a travs de los siguientes procedi-mientos:-Extrapolandolos datos obtenidosen otras condi- ciones de trabajo.-Con frmulasempricas.-Mediante ensayos de laboratoriosobre muestras representativas.Este ltimo mtodo, es el ms fiable y riguroso por lo que,ser objeto de una especial atencin.9.1. Extrapolacin de datos realesCuando se conoce la velocidad de pe.netracin para un dimetro dado puede estimarse la que se consegui-ra con el mismo equipo y un dimetro menor o mayorutilizandola Tabla 2.10.Por ejemplo, si perforandoa 76 mm se consiguen36 m/h de velocidadinstantneade penetracin,ha- cindoloa 102 mm el ritmo de avance conseguido sera aproximadamente36 x 0,65 = 23,4 m/h.Analticamente,puede calcularseel coeficientedecorreccincon la siguientefrmula:F=(6:rs9.2. Frmulas empricasUna frmula que se utiliza para estimar la velocidad-de penetracin en una roca tipo como es el granito Ba- rre de Vermunt (Estados Unidos), que suele tomarse como patrn, es la siguiente:VP (m/min) = 31 '- POTD',49.VELOCIDAD DE PENETRACION/La velocidadde penetracinconseguidapor un equipo rotopercutivodepende de los siguientesfac-to res:-Caractersticasgeomecnicas,mineralgicasy deabrasividad de las rocas./-Potencia de percusin de la perforadora./ donde:POT = Potencia cintica disponible en el martillo(kW).D= Dimetro del barreno (mm).As, por ejemplo, un martillo hidrulico con una poten- cia de 18 kW perforando barrenos de 100 mm de dime- tro conseguira una velocidad de penetracin, en granito Barre, de 0,88 m/min.49TABLA 2.10. CONVERSIONDE VELOCIDADESA DISTINTOS DIAMETROSDIAMETROBARRENO12711410289767064575148444138(mm)1271,001,171,401,712,152,462,833,313,964,354,825,416,101140,851,001,191,451,832,092,412,823,373,714,114,615,191020,720,841,001,221,541,752,022,362,823,113,453,864,35890,590,690,821,001,261,441,651,942,322,552,823,173,56760,460,550,650,791,001,141,311,541,842,022,242,512,82700,410,480,570,700,881,001,151,351,611,771,972,202,48640,350,420,500,610,760,871,001,171,401,541,711,912,15570,300,350,420,520,650,740,851,001,191,311,461,631,84510,250,300,350,430,540,620,720,841,001,101,221,371,54480,230,280,320,390,490,560,650,760,911,001,111,241,40440,210,240,290,350,450,510,590,690,820,901,001,121,26410,190,220,260,320,400,450,520,610,730,810,891,000,08380,160,190,230,280,340,400,460,540,650,720,790,891,00Para rocas con una resistenciaa la compresinsu-perior a 80 MPa y perforandocon martillos en fondo sin vlvula, puede aplicarsela siguienteexpresin:1 Para determinarla Energa Especficay el Coefi-cienie de Resstenciade la Roca "CRS es preciso hacer un sencillo ensayo de laboratorio,consistente en dejar caer una pesa sobre la muestra de roca deVP = 43 x P 2 d~2 unos 15cm3 un determinado nmero de veces y medirm.(3,51) el porcentajede material inferior a 0,5 mm (Paone y otros, 1969). La relacin entre la Resistencia a la Com-donde: RCRC +x D2 X DI /D presin Simple y el CRS se muestra en la Fig. 2.50.-109VP = Velocidadde penetracin(m/h).Pm = Presin del aire a la entrada del martillo(libras/pulg2).di p = Dimetro del pistn (pulg).D = Dimetro del barreno (pulg).RC = Resistenciade la roca a la compresin simple(libras/pulg2/100).Nota:1 libra/pulg2 = 1,423 MPa.i pulg = 25,4 mm.9.3. Ensayos de laboratorioA. Mtodo de la Energa Especfica... (U. S. Bureau of Mines),rLa velocidad de penetracin se calcula a partir de:VP = 48 X PM X Re n X D2 X Eydonde: (Cf)!:: 8~ 7U~ !j..J 4w oU Z w1-(f)2(f) Wrw ow~ 1.0w .9lSL2. .8w .7oU .6.5.4.3.2VP = Velocidadde penetracin(cm/min).PM = Potencia de la perforadora(kgm/min).Re = Rendimientode transmisinde energa, normalmente entre 0,6 y 0,8.D = Dimetro del barreno (cm). 0.1 100 200300 400 500 600RESISTENCIA A LA COMPRESION(MPa)Ey = Energa especficapor unidad de volumen(kgm/cm3).50 Figura 2.50. Relacin entre la Resistencia a la Compresin y el Coeficientede Resistencia de la Roca.Asimismo,entre el CRS" y la Energa EspecficaEv'>existe una relacin como la que se inpica en la Fig.2.51. (Paone, Madson y Bruce, 1969).6.758 -Ensayode PerforacinCon una broca de 8,5 mm de dimetro y 110 de ngulo de bisel, sometida a un empuje sobre la roca de20 kg Y hacindola girar 280 revoluciones, se efectande 4 a 8 perforacionesen cada probeta.La longitud~/::>~:9VIel>'0. 6lO Q ARENISCA KASOTATACONITA A'ARENISCA MANKATOlRANITO ROCKVILLECUARCITAJASPER ;,;, ~5,0 ~E() media de los taladros expresadaen dcimas de mil- metro constituye el llamado valor SJ".i 5,9> 700>15< 44 '--'--"-'--'--Neis350Gabro. Taconita400 '--< "".!"~;o;;"Ou:i...'"zww"-~ 100a;3u ,o'w3>,.I TAeONITA I MAGNETITA I ~ METODO DE PERFORACJONMARTillO EN CABEZA HIORAULlCOMARTILLO EN CABEZA NEUMATICOMARTillO EN FONDO ALTA PRESION (2S boc)ROTATIVAMARTillO EN FONDD eONVENeloNALC.IOboc! "'"o INDleE DE PERFDRABILlDAD(DRI) No obstante, se ha de tener en cuenta que una roca bajo una misma denominacin litolgica puede presen- tar distintas caractersticas de dureza. Por ello, los ndi- ces ah reflejados son meramente orientativos.C. Indice de perforabilidad IpEste ensayo se realiza actualmenteen la E.T.S. de Ingenieros de Minas de Madrid y trata de reproducirel fenmenoreal de rotopercusinmediante el empleo de una taladradora elctrica que se desliza sobre un bastidor ejerciendoun empuje constante sobre la rocaa estudiar.Las muestras, con el tamao de un puo, se preparan pulimentandouna superficie plana y a continuacinse introducenen una cazoleta con yeso para su sujec- cin, dejando la cara plana paralela a la base.La broca empleada tiene un dimetrode 9,5 mm y '--'--"--'--"-'--I eUARelTA I IGNEIS GRANITleoIGNEISI DIABASAI[ PEGMATITAFigura 2.55, Velocidades de penetracin obtenidas en dife- rentes condicio/].es' de trabajo..En la Tabla 2.11 se recoge, para diferentes tipos de rocas, una equivalencia aproximada entre la resistenciaa la compresin, los ndices de dureza Mohs y Vickers, y el ndice de perforabilidad DRI.52 con ella se hacen 3 4 taladros durante 3 5 segundos,que se controlancon un temporizador elctrico.El polvo producidodurante la perforacinse elimina so- plando con aire comprimido.Una vez ensayadas las muestras se mide con una sonda micromtricala longitud de cada taladro oete-niendo el valor medio de las mismas. A continuacin,elIndice de PerforabilidadIp se calcula como la veloci- dad de penetracinexpresadaen pulgadaspor mi- nuto.A partir del trabajo de investigacinllevado a cabo por J. Bernaola (1985) en el que se correlacionan,en diversos dimetrosy tipos de bocas, las velocidades '--"-'--'---'--reales de penetracincon martillosde diferentesca- ractersticascon los ndices Ip obtenidossobre lasmismas rocas, este ensayo sirve para predecir el ren-dimiento obtenidocon un equipo determinadodando los siguientespasos: cin media que resulta puede as calcularse en funcin del nmero de varillas empleado, teniendoen cuenta una cada media del rendimientodel 9% equivalente ala prdida de energa:1. Obtencin del ndice lp de la roca en laboratorio.2. Definicinde las caractersticasdel martillo per- forador.Eg = Energa por golpe (libras x pie). donde: vp m = -vxpNy 1 - 0,91Nv0,09ng = Nmero de golpes por minuto.3.Determinacin de la longitud de filo Lr de la herramientade perforacin.Para bocas de pasti- llas se cumple:Lr = 1,7 D - 0,7donde:D = Dimetro de la bocaSi se utilizanbocas de botonesla velocidadde penetracinobtenidapara el dimetroestudiadose multiplicapor 1,15 Y con bocas de bisel por 0,85.4.Clculo de la velocidad de penetracinmediante la frmula:vp=Egxngx10-6(51xl+90)1pD x Lr210.VELOCIDADMEDIA DE PERFORACIONLa velocidad media alcanzada por una perforadora en un perodo de trabajo largo depende, al margen de la eficiencia de organizacin, de los siguientes facto- res:-Profundidadde los barrenos.-Tiempos de maniobras.La longitudde los barrenosmarca el nmero de vgrillas y empalmesde la sarta de perforacin,que afectan a los ritmos de avance, pues existen'prdidasde energa debidas a:-Falta de rigidez en los acoplamientos,que dan lu- gar a unas prdidas del 3% de la energa transmi- tida por efectos de las reflexiones y del 5,S % apro- ximadamentepor friccionesque se transformanen calor.-Rozamientosinternos con elevacin subsiguientede la temperaturadel varillaje, al actuar ste como vehculode transmisinde las ondas de choque. Las prdidas se estiman entre un 0,2 y 0,4% porcada varilla.Las cifras indicadas slo son vlidas cuando se tra- baja con martillo en cabeza. La velocidadde penetra- Ny = Nmero de varillas utilizado.VP = Velocid2.d de penetracinconseguidaconla primera varilla.Cuando se perfora corrmartilloen fondo, la veloci- dad de penetracin prcticamentepermanececons- tante con la profundidad,pues las tuberas no consti- tuyen el medio fsico de transmisin de la energa de percusin, ya que slo se utilizan para canalizar el aire de accionamientoy efectuar la rotacin.Una vez obtenidoel valor medio de la velocidaddepenetracinse pasa a corregir sta por los tiempos muertos o no productivosderivados de:-Desplazamientosde la mquina de un barreno a otro.-Posicionamientoy emboquillado.-Cambio y extraccinde varillas.-Limpieza del barreno, atascos, etc.Si suponemosunos equipos de superficie,con o sin cambiadorautomticode varillas, tendremoslos si-guientes tiemposmedios:TABLA 2.12.CAMBIODEVARILLA MANUAL AUTOMATICOTiempo de poner varilla1,0 min0,9 minTiempo de quitar varilla1,5 min1,0 minTiempo total de varilla2,5 min1,9 minLos tiempos restantes de maniobra son: TABLA 2.13.OPERACIONTIEMPOCambio de barreno3 minPosicionamientoy emboquille1 minLimpieza de barreno1 minAs, un equipocon cambiadorautomticoen un banco bajo que requiera una sola maniobra de varillas presenta un tiempo total no productivode 6,9 mino53c:~E 1602zQ 140Uc:( Q: -Perforacin .......................................-Carga del explosivo ...........................-Voladura y ventilacin .......................-Desescombro ....................................-Saneo y sostenimiento ..................... 10-30%5-15%5-10%10-30%70-15%t;j 120Zw c..~ 100Oc:(g 801'_----w/1 En los casos ms desfavorables el sostenimiento pue-de llegar a suponer el 70% del tiempo de ciclo, debiendoplantearse en tales situaciones la conveniencia de apli- cacin de un mtodo de excavacin mecnico.Por ltimo, en la Tabla 2.14 se indican los datos y rendimientos medios obtenidos por diferentes equipos de perforacin rotopercutiva en una roca de tipo me-> 60.40 .'//I~:./I.y'"ItII VARILLAS DE 3,6m.-VARILLAS DE 3 m. dio.11.CALCULO DE COSTE DE PERFORACION15202'530354045VELOCIDAD DE PERFORACION (m/h) El coste de perforacin se suele expresar por metro perforado utilizando la siguiente frmula de clculo:Figura 2.56. Velocidadesde perforacinobtenidaspara di" ferentes alturas de banco considerando unos tiempos de 5 min en el desplazamiento y emboquille y 1,9 min en la ma-niobra de varillas..!: 160"E-Eu donde: -C T -CA+C+CM+Ca+CE+CLVMCostes Indirectos + C s~Z 140oU~1- 120WZ Wc.. 100w oog 80Ugw 60.>4020253035404550.55VELOCIDAD DE PERFORACION (m/h)Figura 2.57.Velocidades medidas de perforacin en elavance mecanizadode tneles y galeras.,;/'Las cifras anteriores son orientativas y pueden variar en funcin de las condiciones de trabajo, caractersti- cas del equipo, etc.Otra forma ms rpida de estimar la velocidad de perforacin final consiste en la utilizacin de bacos como los de las Figs.2.56 y2.57. que corresponden a carros de superficie y jumbos, y que han sido cons- truidospara unos tiempos totales de maniobra preestablecidos.Por otro lado, en el caso de excavacin de tneles y galeras a seccin completa, es preciso tener en cuenta que el ciclo dura de uno a dos relevos, dependiendo fun- damentalmente de la seccin y el grado de sostenimien- to requerido. El tiempo total suele distribuirse de la for-ma siguiente:54 CA = Amortizacin (PTA/h).Cl = Interesesy seguros(PTA/h).Costes DirectosCM = Mantenimiento y reparaciones (PTA/h).Ca = Mano de obra (PTA/h).CE = Combustible o energa (PTA/h).CL = Aceites, grasas y filtros (PTA/h).Cs = Bocas, varillas, manguitos y adaptadores(PTA/m).VM = Velocidad media de perforacin(m/h).11.1. AmortizacinLa amortizacindependebsicamentede dos fac- tores: de la prdida de valor y deterioro producido por el uso y de la prdida debida al paso del tiempo.'" El coste horario de amortizacin,si se considera quees lineal, se calcula de la siguiente forma:C = Precio de adquisicin- Valor residualAHoras de vidaLa vida operativa de los carros de orugas se estima entre 8.000 y 12.000 h para los que montan martillo en cabeza y entre 10.000 y 15.000 h, para los de martillo en fondo. Es importante tener en cuenta que las vidas de los martillos son probablementela mitad de las cifras indicadas, por lo que es convenienteincluir dentro de la cantidad a amortizar la adquisicin de otra unidad.TABLA 2.14. DATOS Y RENDIMIENTOS DE EQUIPOS DE PERFORACION ROTOPERCUTIVARANGONORMALCOMPRESORNUMERO DEVELOCIDADVELOCIDADDIAMETROPROFUNDIDADOPERADORESDEMEDIADECAUDALPENETRACION PERFORACIONDEAIREPRESION1254300,71356600,7(mm)MAXIMAMEDIA(cm/min)(m/h)(l/s)(MPa)(m)(miMartillode mano20 kg32-381,51,0Martillode mano30 kg38-453,02,0(f) Vagnperforadorsobreruedas(pequeo)38-488,05,01-24513800,7'o-' Vagn perforador sobref=ruedas48-6412,07,01-255162000,7::; Carro perforadorsobre::>worugas (martillo enzcabeza)64-10020,010,01-26019300-3500,7Carro perforadorsobre orugas (martillo enfondo)85-15030,015,01-240132001,2o(f)'-' Carro sobre orugas::>:Jpequeo50-7520,010,01-28025700,7tI: Carro sobre orugas:r:ogrande64-1 2530,015,01-210035800,711.2. Intereses, Seguros e ImpuestosEn el clculode este coste se aplica la siguiente expresin:C -2 N% (Intereses+seguros+impuesos)1 -Horas de trabajo al aoN + 1 x Precio de adquisicin x 11.4. Mano de obraCorrespondeal coste horario del perforista,inclu- yendo gastos sociales,vacaciones,etc., y del, ayu- dante cuando se precise.11.5. Combustible o energaSiendo: N = Nmero de aos de vida. Este coste se calcula a partir de las especificacionesde los motores que monte la mquina y elconpresor,~1.3.Mantenimientoy reparaciones !f/' TABLA 2.15Incluye los costes de mantenimientopreventivoy averas. Se estima con la siguienteexpresin: EQUIPOS(NEUMATICOS) FACTOR DE REPARACIONREPUESTOS REPUESTOS+M.Odonde: CM = Precio 1d.0el00Equipo x FR (%) -Para martilloen cabeza4 - 6%8 - 12%-Para martilloen fondo3 - 5%6 - 10%Carro sin perforadoraFR = Factor de Reparacin.Unas cifrasorientativasdel Factor de Reparacin para los equipos neumticosson las que se recogen en la Tabla 2.15, donde se consideran,por un lado, slo los repuestos y, por otro, los repuestosms lamano de obra de mantenimiento. Perforadora-Martilloen cabeza6 - 10%12 - 20 %-Martilloen fondo8 - 12%16 - 24% Martillomanual6 - 10%12 - 20 % Compresor porttil 2 - 3%4-6%55que puedenser de tipo disel o elctrico.Para los primeros se aplica la siguiente expresin:CE= 0,3 x POTENCIA(kW) x FC x Precio Combustible CE= 0,22 x POTENCIA(HP) x FC x Precio Combustiblesiendo:FC = Factor de combustible, que vara entre0,65 y 0,85.BIBLlOGRAFIA-ANDERSON, B. F.: "Down-the-HoleBlasthole Drill Jum- bos for UndergroundStoping. UndergroundMethodsHandbook. 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