PERFORACIN Y VOLADURA I

Calidad que se acredita internacionalmente

ASIGNATURA

PRIMERA UNIDAD

TEMA N 5 PERFORACION ROTOPERCUTIVA

DOCENTE: Ing. Benjamn Manuel Ramos Aranda

Huancayo, 2015

Asignatura: Perforacin y Voladura I

MATERIAL DE ESTUDIO:

TEMA N 5 PERFORACION ROTOPERCUTIVA

FUNDAMENTOS DE LA PERFORACION ROTOPERCUTIVA.

Compilado y adaptado de:

LPEZ JIMENO, Carlos; LPEZ JIMENO, Emilio; GARCA BERMDEZ, Pilar. Madrid: Ed. Entorno Grfico Manual de Perforacin y Voladura de Rocas.

Madrid, 2003. UBICACIN: Biblioteca UCCI: 622.23/L87

Material preparado con fines de estudio de alumnos del curso de Perforacin y Voladura de

la Universidad Continental

Captulo2

PERFORACION ROTOPERCUTIVA

1. INTRODUCCION

La perforacina rotopercusines el sistemamsclsicodeperforacindebarrenosysu aparicineneltiempo coincide con el desarrollo industrialdel sigloXIX. Las primeras mquinas prototipos de Singer(1838)y Couch (1848)utilizabanvapor parasu accio-namiento,perofue con laaplicacinposteriordel airecomprimidocomo fuente de energa,en la ejecucindel tnelde Mont Cenis en 1861,cuando estesistemaevoluciony pas a usarsede forma extensiva.Estehecho unido a la aparicin de la dinamitaconstituye-ron los acontecimientosdecisivos en el vertiginosodesarrollo del arranquede rocas en mineray obrapblica a finales del siglo pasado.

El principiode perforacindeestosequipossebasaen el impactode una piezade acero(pistn)quegol-peaa un tilquea su veztransmitelaenergaal fondodelbarrenopormediodeunelementofinal (boca).Losequipos rotopercutivosse clasifican en dos grandesgrupos,segndonde se encuentrecolocado el marti~110:

- Martilloencabeza.En estas perforadorasdos delas accionesbsicas,rotaciny percusin,se pro-ducen fueradel barreno,transmitindosea travsde unaespigay delvarillajehastala bocadeperfo-racin.Los martillospuedenser de accionamientoneumticoo hidrulico.

- Martillo en fondo. La percusinse realizadirecta--mentesobre la boca tle perforacin,mientrasquela rotacinse efectaen el exteriordel barreno.Elaccionamientodel pistnse llevaa ~bo neumti-.camente,mientrasque la rotacin puede ser neu-mticao hidrulica.

Segn los campos de aplicacin de estas perfora-doras, cielo abierto o subterrneo,las gamasde di-metromscomunesson:

TABLA 2.1

Lasventajasprincipales,quepresentalaperforacinrotopercutiva,son:

- Es aplicablea todos lostipos de roca, desdeblan-das a duras.

- La gamade dimetrosde perforacines amplia.

- Los equiposson verstiles,puesse adaptanbienadiferentestrabajosy tienenuna gran movilidad.

- Necesitanun solo hombreparasu manejoyopera-cin.

- El mantenimientoes fcil y rpido, y

- El precio de adquisicin no es elevado.

En virtuddeesasventajasycaractersticas,los tiposde obras donde se utilizanson:

- En obraspblicassubterrneas;tneles,cavernasde centrales hidrulicas, depsitos de residuos,etc., y de superficie; carreteras,autopistas,exca-liaciones industriales,etc.

- En minassubterrneasy en explotacionesa cieloabiertode tamao medioy pequeo.

2. FUNDAMENTOS DE LA PERFORACIONROTOPERCUTIVA

La perforacina rotopercusinse basaen la combi-nacin de las siguientesacciones:

-Percusin. Los impactos producidos por el gol-peo del pistn originan unas ondas de choquE;que se transmitena la boca a travs del varillaje(en el martillo en cabeza) o directamentesobreella (en el martillo en fondo).

- Rotacin. Con este movimientose hace girar laboca paraque los impactosse produzcansobre laroca en distintasposiciones.

Figura 2.1. Accionesbsicasenlaperforacinrotopercu-tiva.

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DIAMETRODEPERFORACION(mm)TIPODEPERFORADORA

CIELOABIERTO SUBTERRANEO

Martillo en Cabeza 50 - 127 38-65Martillo en Fondo 75 - 200 100'; 165

PERcusioN

- .",LROTAION'!%;;

AVANCE" .,

BARRIDO"

- Empuje. Para manteneren contacto el til deperforacin con la roca se ejerce un empujeso-bre la sarta de perforacin.

- Barrido. El fluido de barrido permite extraer eldetritodel fondodel barreno.

El proceso de formacin de las indentaciones,con el que se consigue el avanceen este sistemadeperforacin,se divide en cinco instantes,tal como sereflejaen la Fig. 2.2.

a. b.

a) Aplastamientode las rugosidadesde la roca porcontacto con el ti1.

b) Aparicinde grietasradialesa partirde los puntosdeconcentracindetensionesyformacindeunacua en forma de V.

Pulverizacin de la roca de la cua por aplasta-miento.

d) Desgajamientode fragmentosmayoresen laszo-nas adyacentesa la cua.

e) Evacuacindel detritoporel fluidode barrido.

c)

c. d. e.

~*~,*~~DEFORMACION ROCA DETRITUS PERFILFINALELASTlCA PULVERIZADA GRUESOS DEL CRATER

GRIETASRADIALES

Figura 2.2. Fases de formacin de una indentacin.(Hartman,1959).

Estasecuenciase repitecon la mismacadenciadeimpactosdel pistnsobreelsistemadetransmisindeenergahasta la boca.

El rendimientode esteprocesoaumentaproporcio-nalmentecon eltamaode lasesquirlasde rocaqueseliberan.

2.1. Percusin

La energa cintica Ec" del pistn se transmitedesdeel martillohastalabocade perforacin,atravsdel varillaje,en forma de onda de choque. El despla-zamientode estaonda se realizaa altavelocidady suformadependefundamentalmentedel diseo del pis-tn.

Cuando la onda de choque alcanza la boca de per-foracin, una parte de la energa se transforma entrabajohaciendo penetrarel til y el resto se reflejayretrocedea travs del varillaje. La eficiencia de estatransmisin es difcil de evaluar, pues depende demuchosfactorestales como:el tipo de roca, la formay dimensin del pistn, las caractersticasdel vari-llaje,el diseo de la boca,etc.Adems,hay'queteneren cuentaque en los puntosde unin de las varillaspor mediode manguitosexistenprdidasde energa.por reflexionesy rozamientosque se transformanencalor y desgastesen las roscas. En la primerauninlas prdidasoscilan entreel 8 y el 10%de la energade la onda de choque.

En los martillos en fondo la energa del pistn setransmitedirectamentesobre la boca,por lo que elrendimientoes mayor.

En estossistemasdeperforacinla potenciadeper-cusinesel parmetroquemsinfluyeen lavelocidadde penetracin.

La energa liberadapor golpe en un martillopuedeestimarsea partir de cualquiera de las expresionessiguientes:

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12 .E=-mxv o

e 2 p p

Ec =PmX Ap X Ip

siendo:

mp= Masa del pistn.

vp = Velocidad mximadel pistn.

Pm= Presin del fluido de trabajo(aceiteo aire)dentrodel cilindro.

Ap = Superficie de la cara del pistn.

Ip = Carreradel pistn.

En la mayorade los martilloshidrulicos los fabri-cantesfacilitanel valor de laenergade impacto,perono sucede lo mismo para los martillos neumticos.EspecialcuidadodebetomarseenestecasoalestimarPm",ya que dentrodel cilindro staes de un 30a un40% menorque en el compresor,debido a las prdi-das de carga y expansin del aire al desplazarseel

" pistn.La potencia de un martilloes pues la energa por

golpemultiplicadapor lafrecuenciadeimpactosng":

PM= Ec X ng donde n =K x(PmXAp )+g m xl'p pyteniendoencuentalasexpresionesanteriorespuedeescribirse:

2. 1

PM =K x (Pm X A) 2 X I 2p P1m -p 2

El mecanismode percusin consume de un 80 a un85% de la potenciatotal del equipo.

2.2. Rotacin

La rotacin,que hace girar la boca entre impactossucesivos, tiene como misin hacer que sta actesobre puntos distintos de la roca en el fondo del ba-rreno.En cadatipo de roca existeuna velocidadp-timade rotacin para la cual se producen los detritusdemayortamaoalaprovecharla superficie libre delhueco que se crea en cadaimpacto.

Cuandose perforacon bocasde pastillaslasveloci-dadesde rotacin ms usualesoscilan entre80y 150r/min,con unos ngulos entreindentacionesde 10a20,Fig. 2.3.En el casodebocasdebotonesde51a89mmlasvelocidadesdebenser msbajas,entre40y60r/min, que proporcionanngulosde giro entre5y 7;las bocas de mayor dimetro requierenvelocidadesincluso inferiores.

10-20'

oBOCA DE PASTILLAS

5-7"

BOCA DE BOTONES

Figura 2.3. Velocidades derotacinparabocasdepastillasybotones.

2.3. Empuje

La energageneradaporel mecanismodeimpactosdel martillodebe transmitirsea la roca, por lo que esnecesarioque la boca se encuentreen cOnJactoper-manentecon el fondo del barreno.Esto se consiguecon la fuerzade empujesuministradapor un motorocilindrodeavance,quedebeadecuarsealtipo de rocay boca de perforacin.

Un empuje insuficientetiene los siguientesefectosnegativos:reduce la velocidad de penetracin,pro-duce un mayordesgastede varillasy manguitos,au-mentala prdida de aprietedel varillajey el calenta-miento del mismo. Por el contrario, si el empuje esexcesivodisminuyetambinla velocidad de perfora-cin,dificultaeldesenroscadodelvarillaje,aumentaeldesgastede lasbocas,el parde rotaciny lasvibracio-nesdelequipo,ascomoladesviacinde losbarrenos.

Al igualquesucede con la rotacin,estavariablenoinfluyede formadecisivasobre lasvelocidadesde pe-netracin.Fig. 2.4.

UJz0000

eficientecon aireoscilanentrelos 15y los 30mis.Lasvelocidadesminimaspuedenestimarseencadacasoapartirde la expresin:

v = 9 55 x ~ x d 0,6. ' p,+1 pdonde:

va = Velocidad ascensional (mis).p, = Densidad de la roca (g/cm3).

dp = Dimetro de las partculas (mm).

As, el caudal que debe suministrar el compresor ser:

v.x(D2-d2)

1,27Q.=

siendo:

Q.= Caudal (m3/min).D = Dimetro del barreno (m).d = Dimetro de las varillas (m).

TABLA 2.2

Cuando se emplea agua para el barrido la velocidadascensional debe estar comprendida entre 0,4 y 1 mis.En estos casos, las presiones estn limitadas entre 0,7y 1MPa 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 presin supe-rior nicamente para el barrido. Slo en el caso de losmartillos en fondo se utilizan compresores de alta pre-

sin (1-1,7 MPa) porque adems de servir para evacuarel detrito se aumenta la potencia de percusin.

Un factor que es preciso tener en cuenta para esti-mar el caudal de barrido es el de las prdidas de carga

que se producen por las estrechas conducciones quedebe atravesar el fluido (aguja de barrido, orificio .delas varillas) y a lo largo de la sarta de perforacin.

En la Tabla 2.2, se indican las velocidades de barrido,cuando se perfora con martillo en cabeza, en funcin delcaudal de aire que proporciona el compresor y el dime-tro del varillaje.

3. PERFORACION CON MARTillO ENCABEZA

Estesistemade perforaci6nsepuedecalificarcomoel msclsico oconvencional,yaunquesu empleoporaccionamientoneumticose vio limitadopor los mar-tillos en fondo y equipos rotativos,la aparicinde losmartilloshidrulicos en la dcada de los setentahahecho resurgir de nuevo este mtodo complemen-tndolo y amplindoloen su campo de aplicacin.

3.1. Perforadoras neumticas

Un martilloaccionado por aire comprimidoconstabsicamentede:

- Un cilindro cerrado con una tapa delanteraquedisponedeunaaberturaaxialdondevacolocadoel

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elementoportabarrenas,as como un dispositivoretenedorde las varillasde perforacin.

- El pistnquecon su movimientoalternativogolpeaelvstagooculataatravsde lacualsetransmitelaonda de choque a la varilla.

- Lavlvulaqueregulael pasodeairecomprimidoenvolumen fijado y de forma alternativaa la parteanteriory posteriordel pistn.

- Unmecanismoderotacin,biendebarraestriadaode rotacin independiente.

- El sistemade barridoque consisteen un tubo quepermiteelpasodelairehastael interiordelvarillaje.

Estos elementos son comunes a todos los tipos demartillos existentes en el mercado, variando nicamentealgunas caractersticas de diseo: dimetro del cilindro,longitud de la carrera del pistn, conjunto de vlvulas dedistribucin,etc.

CAUDAL (m3/min) 3,2 5,2 6,5 6,5 9,3 9,3 9,3 9,3

Dimetrovarilla(mm) 32 38 38 45 45 51 87 100Dimetrodelmanguito 45 55 55 61 61 72 - -

Dimetroorificiodebarrido(mm) 12 14 14 17 17 21 61 76

DIAMETRO DEL BARRENO VELOCIDAD.DEL AIRE DE BARRIDO (mis)

51mm(2") 43 - - - - - - -64mm(2'/i') 22 42 52 - - - - -

76mm(3") 15 25 32 37 50 - - -

89mm(3'//') - 17 21 24 27 36 - -

102mm(4") - - 15 17 22 24 68 -

115 mm (4'12") - - - 12 17 18 34 69127mm(5") - - - - 13 15 19 34140mm(5'12") - - - - - - 16 21152mm(6") - - - - - - - 15

A continuacinse describeel principiode trabajodeunmartilloneumtico,Fig.2.6a 2.12.

1

Figura 2.6. El pistn se encuentra al final de su carrerade retroceso.

1. El pistn se encuentra al final de su carrera de re-troceso y est listo para comenzar su carrera de trabajo.El aire, a la presin de alimentacin, llena la culata (1) ypasa a travs de la lumbrera trasera de alimentacin (2)al cilindro (3). El aire empuja el pistn hacia adelante,comenzando la carrera de trabajo. Mientras, la partefrontal del cilindro (5) se encuentra a la presin atmosf-rica, al estar abierta la lumbrera de escape (6).

73 4 6

Figura 2.7. El pistn se acelera hacia adelante.

2. El pistn (4) continaacelerndose,empujadopor la presinde alimentacin,hastaqueel bordefron-tal (7)de la cabezadecontroldel pistncierrala entra-dadelairecomprimido.El aireconfinadoen la partetra-sera del cilindro(3)comienzaa expansionarsey conti-naempujandohaciaadelanteal pistn.Obsrvesequela cabezadelpistn(4)cierrala lumbrerade escape(6)y el extremofrontalse encuentratodavaa la presinat-mosfrica.

73 6 6

Figura 2.8. El borde trasero de la cabeza del pistn descubrela lumbrera de escape.

3. El aireconfinadoen la partetraseradel pistn(3)continaexpansionndosehasta que el bordetraserode la cabezadel pistncomienzaa descubrirla lumbre-rade escape(6).Recurdeseque la cabezade controldelpistn(7)hacerradoya laentradadeairecomprimi-do,con lo cualnose malgastael airecomprimidocuan-dose abrela lumbreradeescape.

En la partefrontalde lacabezadelpistnhaquedadoatrapadoaireque estabaa la presinatmosfrica(5)y

que ahora es comprimido hasta una presin ligeramentesuperior a la atmosfrica.

4

6 8

Figura 2.9. El pistn comprime el aire que se encuentradelante.

4. El pistncontinamovindosehacia adelanteacausa de su inerciahastaque golpeaal adaptadordeculata.Entoncesel bordetraserode la cabezadel pis-tn(8)hadescubiertola lumbreradeescape(6)y elairede la partetraseraes expulsadoa la atmsfera.

Mientrasesto sucede,el extremotrasero(10) de lacabezade controldelpistnabrela lumbrerafrontaldeentradadelairecomprimido(5)queempujael pistnha-ciaatrsen la carrerade retroceso.Duranteestaetapahay aire comprimidoempujandoal pistnpor su partefrontal(5) y tambinempujndolepor su partetrasera(10).La superficiefrontales muchomayorquelatrasera(10),porloqueel pistnse desplazahaciaatrs.

5

6

Figura 2.10. El pistn se acelera hacia atrs.

5. El pistnse acelerahaciaatrsen su carreraderetroceso,hastaque la cabezade controlcubrela lum-brerade entradade aire (10),entonces,el aire de lazona (5)se expansionay continaempujandoal pistnhaciaatrs.

3 11 6

Figura 2.11. El borde frontal de la cabeza del pistn descubrela lumbrera de escape.

6. El pistncontinaacelerndosehaciaatrsmien-tras el aire de la partefrontal(5) se expansionahastaqueel bordefrontalde la cabezadel pistn(11)descu-brela lumbreradeescape,el aireentonceses atrapadoen la parteposteriordelcilindro(3)y se comprimehastauna presinligeramentesuperiora la atmosfrica.Ob-srvesequeel bordefrontalde la cabezade control(7)

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acabade abrir la lumbreratraserade alimentacindeairecomprimido.

6 6

Figura 2.12. El pistn finaliza la carrera de retroceso.

7. La carrerade retrocesofinalizacuandola lumbre-ratraserade suministrode airese abrecompletamente,permitiendola entradadel aire comprimidotras el pis-tn. Esto produceun efectode amortiguacinque pro-duce la paradasuavedel pistn,y al mismotiemposepreparaparaunanuevacarreradetrabajo.

Algunas caractersticas tpicas de estos equipos se in-dican en la Tabla 2.3.

TABLA 2.3. CARACTERISTICAS MEDIAS DEMARTILLOS NEUMATICOS

Relacin dim. pistn/dim. barrenoCarrera del pistn (mm)Frecuencia del golpeo (golpes/min)Velocidad de rotacin (r/min)Consumo relativo de aire

(m3/min.cm. dimetro)

15-1,735 - 95

1500- 340040 - 400

2,1- 2,8

Las longitudes de perforacin alcanzadas con estesistema no suelen superar los 30 m,.debido a las im-portantes prdidas de energa en la transmisin de laonda de choque y a las desviaciones de los barrenos.

Como se ha indicado, la rotacin del varillaje puedeconseguirse por dos procedimientos diferentes:

a) Con barra estriada o rueda de trinquetes, y

b) Con motor independiente.

El primergrupo estmuygeneralizadoen las perfo-radoras ligeras,mientrasque el segundo se aplica abarrenosde gran dimetrodondees necesarioun parmayor.

En larotacinporbarraestriadaelpistntieneformatubulary rodeaa stapor mediode la tuercade rota-cin. La barravaconectadaa los componentesestti-cos del martillo por medio de trinquetesFig.2.13.Elextremofrontaldelpistntieneunasestrasplanasqueengranancon las del buje de rotacin.Esto hacequedurante la carrera de retrocesoel pistn gire arras-trandoen el mismosentidoal varillaje.Las barrases-triadas pueden elegirse con diferentespasos, de talmaneraquecada30,40 50emboladasse consigaunavueltacompleta.

En la rotacin por rueda de trinquetes,el extremofrontaldelpistntieneestrasrectasyhelicoidales.Las

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estras rectas engranan con las de la tuerca del buje derotacin, la cual va unida interiormente a la rueda detrinquetes. Tambin en este caso las varillas slo girandurante la carrera de retroceso del pistn.

TRINQUETES

BARRA ESTRIADA

VARILLA DE PERFORAC'ON

Figura2.13. Perforadoracon rotacinpor mecanismode ba-rra estriada.

Elsegundoprocedimiento,queesel msextendido,utiliza un motor exterior al martillo neumticoo hi-drulico. Lasventajasque presentason:

- Con un pistn del mismo tamao se posee msenergaen el martillo,ya que al eliminar la barraestriadaalJmentalasuperficietildel pistnsobrela que acta el aire a presin.

- Se dispone de mayor par, por lo que se puedetrabajarcon dimetrosy longitudesmayores.

- Permite adecuar la percusin y la rotacin a lascaractersticasde la roca a penetrar.

- Aumentael rendimientode la perforacin.

Estetipo de perforadorasdisponende unos engra-ajescilndricosparatransmitirel movimientode rota-cin a las varillas.Fig. 2.14.

El campode aplicacinde lasperforadorasneum-ticasdemartilloencabeza,sehaido estrechandocadavez ms hacia los barrenos cortos con longitudesentre3 y 15m, de dimetropequeode 50 mma 100mm,enrocasdurasyterrenosdedifcil acceso.Estoseha debidofundamentalmenteal alto consumode airecomprimido,unos 2,4m3/min porcadacentmetrodedimetroya los fuertesdesgastesquese producenentodos los accesorios,varillas,manguitos,bocas, etc.,por la frecuenciade impactosy forma de la onda dechoque transmitidacon pistonesde gran dimetro.

No obstante,lasperforadorasneumticaspresentanan numerosasventajas:

- Gran simplicidad- Fiabilidady bajo mantenimiento

ENTRADA DEL A.RE DE ACCIONAM'ENTO DEJMOTOR DE ROTACION y MARTILLO

MOTOR DE AIREREVERSIBLE

ENGRANAJEREDUCTOR

Figura2.14.Vistaseccionadadeunaperforadoraneumticacon mecanismode rotacin independiente

. (Compair-Holman).

- Facilidad de reparacin- Precios de adquisicin bajos,y- Posibilidadde utilizacinde antiguasinstalacio-

ENTRADA DE FLUIDO DE BARRIDO

ADAPTADOR

.~

i

~I !fi~

11

nesde airecomprimidoenexplotacionessubte-rrneas.

3.2. Perforadorashidrulicas

A finalesde los aossesentay comienzode lossetenta,tuvolugarungranavancetecnolgicoen laperforacinderocasconeldesarrollodelosmartilloshidrulicos.

Unaperforadorahidrulicaconstabsicamentedelosmismoselementosconstructivosqueunaneum-tica.Fig.2.15.

Ladiferenciamsimportanteentreambossistemasestribaen queen lugarde utilizarairecomprimido,generadoporuncompresoraccionadoporunmotordieseloelctrico,paraelgobiernodelmotorderota-cinyparaproducirelmovimientoalternativodelpis-tn,unmotoractasobreun grupode bombasquesuministranuncaudaldeaceitequeaccionaaquelloscomponentes.

CONTROL DE PARAMETROSDE PERFORACIONr

MOTOR DE ROTAC"~

Figura2.15.Seccin deun martillohidrulico(AtlasCopco).

Seguidamentese describeel principiode funciona-mientodeunmartillohidrulicodeunequipodesuperfi-cie,Fig.2.16a2.19.

Figura2.16.El pistn se encuentra en el extremo delanterode su carrera.

1. El pistnse muestraestandoenel extremodelan-terode su carrera.El aceitehidrulicopenetraa la per-foradoraa travsdel orificiode altapresin(1) Y fluyehaciala partedelanterade cilindro(2).Empujaal pistnhaciaatrs y al mismotiempoentraen la cmaradeldistribuidor(3) empujandoal distribuidor(4) a la posi-cin trasera.Una partedel caudaldel aceiteentra al

acumulador de alta presin (HP) (5) comprimiendo el ni-trgeno y de este modo acumulando energa. En estaposicin el aceite en la parte trasera del cilindro escapaa travs del orificio (6) hacia el orificio de retorno (7). Elacumulador de baja presin (LP) (8) funciona de la mis-ma manera evitando carga de choque en las manguerasde retorno.

Figura 2.17. El pistn se desplaza hacia atrs.

2. Cuandoelpistnsehadesplazadohastaelpuntoen queel borde(9)hacubiertolosorificios(6),el orificio(10) se habrabiertoy la presinque actasobre elladode la altapresindetieneel mbolo.El choquede

31

presincausadoporel mboloes absorbidoenelacu-mulador(5).Despusdeesto,elborde(11)dejaaldes-cubiertolos orificios(12)y el aceitepresurizadoen lacmaradeldistribuidorescapahaciaelconductodere-torno.Antesde esto,el borde(13)impideel flujodeaceitehacialacmaradeldistribuidor,y lapresinenlapartedelanteradelcilindrofuerzaalmbolohaciaatrs.

Figura2.18.Elpistnseencuentraenlaposicintrasera.

3. A medidaquelapresinse reduceenlacmaradeldistribuidor,laaltapresin dominante en la cara pos-terior del distribuidor (4) lo fuerza hacia adelante y deeste modo se cubren los orificios de escape (6). En estaposicin el aceite puede fluir hacia la parte trasera delcilindro a travs de un orificio de presin (14) entre eldistribuidor y el cuerpo. Al mismo tiemp.oel aceite puedefluir a travs del orificio (10) hacia el cilindro.

Figura 2.19. El pistn se mueve hacia adelante.

4. El pistn se mueve hacia adelante debido al de-sequilibrio de fuerzas predominante en las partes delan-teras y traseras del cilindro. Al mismo tiempo el acuniu-lador de alta presin (HP) descarga aceite al conducto

de alta presin (HP) y de este modo aupenta el flujo deaceite al cilindro. Poco antes del punto de percusin delpistn, el borde (12) permite el flujo de aceite hacia lacmara del distribuidor y el desequilibrio de fuerzas en-tre las caras del distribuidor lo mueven a la posicin tra-sera cerrando la alimentacin de aceite a la parte poste-rior del cilindro. Despus del instante de percusin co-mienza el ciclo de retorno del pistn de la manera indi-cada anteriormente.

Aunqueen un principio la introduccin de estosequiposfue msfuerteen trabajos subterrneos,conel tiempo, seha ido imponiendoen la perforacindesuperficiecomplementandoa las perforadorasneu-mticas.

Las caractersticasde estasperforadorasse resu-menen laTabla2.4.

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TABLA 2.4. CARACTERISTICAS MEDIAS DEMARTILLOS HIDRAULlCOS

PRESION DE TRABAJO (MPa)

POTENCIA DE IMPACTO (kw)

7,5 - 256 - 20

2000- 5000FRECUENCIA DE GOLPEO (golpes/min)

VELOCIDAD DE ROTACION (r/min) O -500100- 1800PAR MAXIMO (Nm)

CONSUMO RELATIVO DE AIRE

(m'/min cm dim) 0,6 - 0,9

Segn la potencia disponible del martillo se seleccio-nar el dimetro del varillaje. En la Tabla 2.5, se reco-gen unas recomendaciones generales.

TABLA 2. 5

Las razones por las quela perforacin hidrulicasuponeunamejoratecnolgica sobrela neumticason las siguientes:

- Menor consumo de energa: .Las perforadorashidrulicastrabajanconfluidosapresionesmuy superioresa las accionadas neu-mticamentey, adems,lascadasde presinsonmuchomenores.Seutiliza,pues,deunaformamseficientela energa,siendoslo necesario porme-tro perforado 1/3de la que se consume con losequipos neumticos.

- Menor coste de accesorios de perforacin:La transmisindeenergaenlosmartilloshidruli-cos se efectapormediodepistonesmsalarga-dosyde menordimetroqueloscorrespondientesa losmartillosneumticos.Lafatigageneradaenelvarillaje dependede las secciones de ste y deltamaodel pistn de golpeo, pues, como se ob-servaenlaFig.2.20,laformade la ondadechoquees mucho ms limpia y uniformeen ios martilloshidrulicosqueenlosneumticos, dondesepro-ducennivelesdetensinmuyelevadosqueson elorigende la fatigasobreel aceroy de"unaseriedeondas secundariasde bajo contenidoenergtico.En laprctica,sehacomprobadoquelavidatildelvarillaje se incrementapara las perforadoras hi-drulicas aproximadamenteun 20%.

- Mayor capacidad de perforacin:Debidoa la mejortransmisinde energa y forma

DIAMETRO DEL VARillAJE POTENCIA DISPONIBLE DEL MARTillO

(mm-pulg) (kW)

25,4-1" 8-1231,7-1'/4" 10-1438,1-1';2' 14-1644,5-13/4" 16-1850,8-2" 18-22

B~ lAd0I]]][11==:Jc:m:=:c::J

Pistn de martilloencabeza hldralico

Varillaje

B~~WL--CJ

\:t

dPistn de martilloencabeza neumtico

Varillaje

;z:zj= Enegocontenidoenun golpeA =Nivelde tensinaceptableB =Excesode tensin que

provocafatiga en elvarillaje

Figura 2.20. Ondas de choque en martillos hidrulicos yneumticos.

de la onda, las velocidadesde penetracinde lasperforadorashidrulicasson de un 50 a un 100%mayoresque las que los equipos neumticos.

- Mejores condiciones ambientales:Los nivelesde ruidoen unaperforadorahidrulicason sensiblementemenoresa los generadosporunaneumtica,debidoa laausenciadel escapedeaire.Principalmente,estoes as en el campode lasbajas frecuencias, donde los auriculares protec-tores son menoseficientes.Adems,en las laboressubterrneasnoseproducela niebla de agua y aceite en el aire del frente,mejorandoelambientey lavisibilidaddeloperario.Por otro lado, la hidrulicaha permitidoun diseo

130

~110~

El funcionamientode un martilloen fondo se basaen que el pistn golpea directamentea la boca deperforacin.El fluido de accionamientoes aire com-primido que se suministraa travs de un tubo queconstituyeel soportey hacegiraral martillo.La rota-cin es efectuadapor un simple motor neumticoohidrulicomontadoen el carro situadoen superficie,lo mismo que el sistemade avance.Fig. 2.22.

La limpieza del detrito se efecta por el escapedel aire del martillo a travs de los orificios de laboca.

ROSCA CONICATI PO API

VALVULA DEPROTECCION

_VALVULATU BULAR

-TUBO CENTRAL

-CAMISA

-PISTON

lf

- PORTABOCAS

-BOCA

Figura 2.23. Martillo en fondo (Atlas Capeo).

34

En los martillosen fondo, generalmente, la frecuenciade golpeo oscila entre 600 y 1.600 golpes por minuto.

El diseo actual de los martillos en fondo es mu-

cho ms simple que el de los primitivos que incor-poraban una vlvula de mariposa para dirigir el airealternativamente a la parte superior del pistn. Losmartillos sin vlvulas son accionados por las nerva-duras o resaltes del propio pistn, permitiendo au-mentar la frecuencia de golpeo, disminuir sensible-mente el consumo de aire y el riesgo de dieseliza-cin.

Para evitar la entrada del agua, por efecto de lapresin hidrulica, los martillos pueden disponer deuna vlvula antirretorno en la admisin del aire.

La relacin carrera/dimetro del pistn en los mar-tillos en cabeza es menor o igual a 1, pero en losmartillos en fondo como las dimensiones del pistnestn limitadas por el dimetro del barreno, paraobtener la suficiente energa por golpe la relacinanterior es del orden de 1,6 a 2,5 en los calibres pe-

queos y tendiendo a 1 en los grandes.

~"-

E

152 mm DIAMETROBOCA DE BOTONESGRANITO 180 MPa RESISTENC. COMP.

~40UQ:f-wZwc..woo 30oUo--'w>

20

M.F. CON VALVULA (1.968)

10 M.F. CON VALVULA (1.960)

M.F. CON VALVULA (1.955)

0,5 1;5 2 2,5PRESION DEL AIRE (MPa)

Figura 2.24. Velocidaddepenetracinpara diferentesmar-tillos en fondo y presionesde aire (Ingersoll-Rand).

Si seanalizalafrmuladelapotenciaproporcionadapor una perforadorarotopercutiva:

P - Pm1.5X A 1,5X I 05M - P P ,m 0,5p

siendo:

Pm= Presin del ai re que acta sobre el pistn.

Ap = Area efectiva del pistn.Ip = Carrera del pistn.mp= Masa del pistn.

se ve que la presin del aire es la variable que tieneuna mayor influencia. sobre la velocidad de penetra-cin obtenida con un martillo en fondo. Actualmente,

existen equipos sin vlvulas que operan a altas pre-siones, 2 a 2,5 MPa, consiguiendo altos rendimien-tos.

Con el fin de evitar la percusin en vaco los martillossuelen ir provistos de un sistema de proteccin que cie-rran el paso del aire al cilindro cuando la boca no seapoya en la roca del fondo del taladro.

La sujecin de las bocas al martillo se realiza por dossistemas: el primero, a modo de bayoneta, consiste enintroducir la boca en el martillo y girarla en un sentido,normalmente a izquierda, quedando as retenida; el se-gundo, mediante el empleo de elementos retenedores,semianillas o pesadores.

Cuando se perfora una formacin rocosa en pre-sencia de agua, debe disponerse de un compresorcon suficiente presin de aire para proceder en de-terminados momentos a su evacuacin. De lo con-

trario, el peso de la columna de agua har caer elrendimiento de perforacin.

En cuanto al empuje que debe ejercerse para man-tener la boca lo ms en contacto posible con la roca,una buena regla prctica es la de aproximarse a los85 kg por cada centmetro de dimetro. Un empujeexcesivo no aumentar la penetracin, sino queacelerar los desgastes de la boca y aumentar losesfuerzos sobre el sistema de rotacin. Cuando se

perfore a alta presin se precisar al principio unafuerza de avance adicional para superar el efecto decontraempuje del aire en el fondo del barreno, suce-diendo lo contrario cuando la profundidad seagrande y el nmero de tubos tal que supere al pesorecomendado, siendo necesario entonces que elperforista accione la retencin y rotacin para man-tener un empuje ptimo sobre la boca.

Las velocidades de rotacin aconsejadas en fun-cin del tipo de roca son:

TABLA 2.6

Como regla prctica puede ajustarse la velocidadde rotacin a la de avance con la siguiente expre-sin:

Velocidad rotacin

penetracin (m/h)(r/min) = 1,66 x Velocidad

Adems del aire, como fluido de barrido puedeemplearse el agua y la inyeccin de un espumante.ste ltimo, presenta diversas ventajas ya que seconsigue una buena limpieza en grandes dimetroscon aire insuficiente, con velocidades ascensionalesms bajas (hasta 0,77 mis), y permite mantener esta-bles las paredes de los taladros en formacionesblandas. Este mtodo es especialmente indicado enla perforacin de pozos de agua en terrenos pococonsolidados.

La lubricacin de los martillos en fondo es de vital

importancia. Los consumos de aceite varan con losdiferentes modelos, pero como regla general se re-comienda 1 litro de aceite por hora por cada 17 m31min de caudal de aire suministrado. Cuando se per-fora a alta presin se aconseja un consumo mnimocontinuo de 1 I/h. Si se emplea agua o espumantesdebe aumentarse la cantidad de aceite.

En cuanto al tamao de los tubos, stos deben te-

ner unas dimensiones tales que permitan la correctaevacuacin de los detritus por el espacio anular quequeda entre ellos y la pared del barreno. Los dime-tros recomendados en funcin del calibre de perfo-racin se indican en la Tabla 2.7.

TABLA 2.7

Las ventajas de la perforacin con martillo enfondo, frente a otros sistemas, son:

- La velocidad de penetracin se mantiene prcti-camente constante a medida que aumenta la

profundidad de los barrenos. Fig. 2.25.

- Los desgastes de las bocas son menores que con.martillo en cabeza,debido a que el aire de acciona-miento que pasa a travs de la boca limpiando lasuperficie del fondo asciende eficazmente por el

'" pequeo espacio anular que queda entre la tuberay la pared del barreno.

- Vida ms larga de los tubos que de las varillas ymanguitos.

- Desviaciones de los barrenos muy pequeas, por lo

que son apropiados para taladros de gran longitud.

- La menor energa por impacto y la alta frecuenciade golpeo favorecen su empleo en formacionesdescompuestas o con estratificacin desfavorable.

- Se precisa un par y una velocidad de rotacin me-nores que en otros mtodos de perforacin.

- No se necesitan barras de carga y con carros depequea envergadura es posible perforar barrenosde gran dimetro a profundidades elevadas.

35

"IVELOCIDAD DE

TIPO DE ROCAROTACION (r/min)

Muyblanda 40 - 6030 - 50Blanda20 - 40Media1O - 30Dura

DIAMETRO DE DIAMETRO DE LA

PERFORACION (mm) TUBERIA (mm)

102-115 76127-140 102152-165 114

200 152

100

90

80

z~ 70U ~40w

La cadenaacta sobre la cuna del martillo que sedesplazasobre el lado superiorde la deslizadera.

Las ventajasde este sistema,que es muyutilizadotantoenequiposdesuperficiecomosubterrneos,son:el bajo precio,la facilidadde reparaciny la posibili-dadde longitudesde avancegrandes.Por el contrario,presentanalgunosinconvenientescomoson: mayoresdesgastes en ambientes abrasivos, peligroso si serompe la cadena perforandohaciaarribay dificultadde conseguir un avance suave cuando las penetra-ciones son pequeas.

5.3. Deslizaderas de tornillo

En estas deslizaderas el avance se produce al girar eltornillo accionado por un motor neumtico.Este torni-llo es de pequeodimetroen relacin con su longitudy est sujeto a esfuerzos de pandeo y vibraciones du-rante la perforacin. Por esta razn, no son usualeslongitudes superiores a los 1,8 m.

Las principales ventajas de este sistema son: unafuerza de avance ms regularysuave, gran resistenciaal desgaste, muy potente y adecuado para barrenosprofundos, menos voluminosoy ms seguro que elsistema de cadena.

Sin embargo, los inconvenientesque presentan son:un alto precio, mayor dificultadde reparaciny longi-tudes limitadas.

5.4. Deslizaderas de cable

EnCanad es un sistema muy popular que va mon-tado sobre unos jumbos denominados Stopewa-gons. Bsicamente constan de un perfil hueco deextrusin sobre el que desliza la perforadora. Un pistnse desplaza en su interior unido por ambos extremos aun cable que sale por los extremos a travs de unoscierres. El accionamientodel pistn es neumtico.

Las ventajas que presentan son: el bajo precio, lasimplicidad yfacilidad de reparacin, la robustez y vidaen operacin.

Los inconvenientesprincipalesson: estn limitadosa equipos pequeos y a barrenos cortos, las prdidasde aire a travs de los cierres de los extremosy elpeligro en caso de rotura de los cables.

5.5. Deslizaderas hidrulicas

El rpido desarrollo de la hidrulica en la ltimadcada ha hecho que este tipo de deslizaderas inclusose utilice en perforadoras neumticas. El sistemaconsta de un cilindro hidrulico que desplaza a la per-foradora a lo largo de la viga soporte,Fig.2.28.

Las deslizaderas hidrulicas presentan las siguien-tes ventajas: simplicidad y robustez, facilidad, de con-trol y precisin, capacidad para perforar grandes pro-fundidades y adaptabilidad a gran variedad de mqui-nas y longitudes de barrenos.

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Figura 2.27. Deslizaderade cadena(Padley & Venables).

37

RECORRIDO

LONGITUD DE VARILLA'-'-'--

oo o'-'---'

MANGUITO

Figura 2.28. Deslizaderade tornillo (Padley & Venables).

Por el contrario, los problemasque planteanson:mayoresprecios, necesidadde un accionamientohi-drulico independiente,peor adaptacinen las per-foradoraspercutivasque en las rotativasy desgastesen el cilindro empujador.

6. SIST~MAS DE MONTAJE

En los tipos de trabajo que realizan los equipos deperforacin,los sistemasde montajepuedendiferen-ciarsesegn sean paraaplicacionessubterrneaso acielo abierto.

Dentro de este epgrafe tambin se describen losmartillosmanuales.

6.1. Sistemasde montajepara aplicacionessub-terrneas

Losequiposdeperforacinquemsse utilizanenlaboresdeinteriorson lossiguientes:

- Jumbos paraexcavacinde tnelesy galeras,ex-plotacionespor corte y relleno,por cmarasy pi-lares,etc.

- Perforadorasde barrenoslargosen abanico en elmtodode cmaraspor subniveles.

- .Perforadorasde barrenoslargosparasistemasdecrteresinvertidosy cmaraspor banqueb.

Otrasunidadescomo son losvagonesperforadoressobre neumticosy los carros sobre orugas se des-criben con ms detallejunto a las mquinasde cieloabierto.

Los montajesespecialespara la ejecucin de chi-meneasy pozos se ven en un captulo aparte.

A. Jumbos

Losjumbossonunidadesdeperforacinequipadasconunoo variosmartillosperforadorescuyasprinci-

38

palesaplicacionesen laboressubterrneasse en-cuentranen:

- Avancedetnelesy galeras.- Bulonajey perforacintransversal.- Banqueoconbarrenoshorizontales.- Minera por corte y relleno.

Figura 2.29.Aplicacionesdelosjumbos.

Los componentesbsicos de estos equipos son: elmecanismo de traslacin, el sistema de acciona-miento, los brazos, las deslizaderasy los martillos.Fig. 2.30.

Estas mquinaspuedenser remolcableso ms ha-bitualmenteautopropulsadas.Estasltimasdisponende un tren de rodajesobre: neumticos,orugaso ca-rriles.

El primero,esel msextendidopor lagranmovilidadque posee(hasta15km/h),por la resistenciafrentealas aguascorrosivasy por los menoresdesgastesso-bre pisos irregulares.Los chasis en la mayorade loscasosson articulados,posibilitandolostrabajosdeex-cavacionescon curvas.

ENERGA ELECTRCA

-ACEITE

. AGUA

.. ..

Figura2.30. Componentesprincipalesdeunjumbo(Tamrock).

PPI

El montajesobre orugasseutilizacon muymalpiso,galerasestrechas,con pendientesaltas(15-20)y po-cas curvas.No son muyfrecuentesen trabajossubte-rrneos.Fig. 2.31.

Figura 2.31. Jumbo sobre orugas (Atlas Copco).

Los jumbos sobre carriles, que han cado muy endesuso, encuentran aplicacin cuando los trabajospresentan:una gran longitud, pequeaseccin; pro-blemas de ventilaciny los equipos de carga y trans-porte del materialse desplazantambinsobre carril.Con estos equipos es imprescindibleque desdecadaposicin el jumbo pueda perforar todos los barrenosprevistos. Fig. 2.32. '"

Lasfuentesdeenergapuedenser:diesel,elCtrica ode aire comprimido. Los motores diesel que sirven

~-~!1 ~II Ij ~I jL

para el accionamiento del tren de rodadura, por trans-misin mecnica o hidrulica, pueden usarse tambinpara accionartodos los elementos de perforacin, in-cluidas las unidadescompresorase hidrulicas. Estesistema se utiliza en proyectos de pequea enverga-dura y cuando no existenproblemasde contaminacinen el frente. Ms habitual es emplear el motor dieselpara el desplazamiento del equipo y un motor elc-trico para el accionamientode los elementos deperforacin. En este caso se necesita disponer deuna instalacin de distribucin de energa elctrica.Por ltimo, el aire comprimido slo se usa cuando sedispone de una red en buen estado, en' caso contra-rio el sistema se desecha casi siempre.

Los brazos de los jumbos modernos estn acciona-dos hidrulicamente existiendouna gran variedaddediseos, pero, pueden clasificarse en los siguientesgrupos: de tipo trpode,de giro en la base o en lnea.Del nmero de cilindros y movimientos del brazo de-penden la cobertura y posibilidades de trabajo de losjumbos, por lo que la seleccin de los brazos es unaspectomuy importante, sobre todo en obra pblica,ms que en minera, ya que las labores a realizar sonmuy variadas.

.~

Figura 2.32. Jumbo sobre carriles (Atlas Copco).

39

Figura 2.33. Brazo eon giro en la base (AtlasCopeo).

Tambin existen brazos de extensin telescpicacon incrementos de longitud entre 1,2 y 1,6 m.

El nmero y dimensin de los brazos est en funcindel avance requerido, la seccin del tnel y el controlde la perforacin para evitar sobreexcavaciones.

,,'

Figura 2.34. Brazo extensibleeon giro en linea (AtlasCopeo).

Como criterios generales debe cumplirse que: el n-mero de barrenos que realiza cada brazo sea apro-ximadamente el mismo, la superposicin de cober-turas entre brazos no sea superior del 30% y el orden

de ejecucin de los barrenos sea el que permita glo-balmente unos tiempos de desplazamiento de losbrazos menor.

Para calcular el nmero de brazos de que debe dis-poner un jumbo por cada operador yel rendimiento delmismo, pueden emplearse las siguientes frmulas:

40

Lv x e

Nb = VP x tm

P = 60 x Lv X Nb x eJ Lv x tb L

-+ t +~lb m VP

donde:

Nb= Nmero de brazos por operador.

Pj = Produccin del jUl'il1bopor operador (m/h).

Lv = Longitud de la varilla (m).

VP= Velocidad de penetracin (m/h).

tm = Tiempo de sacar varilla, movimiento de ladeslizadera 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 pueden ser de las clases descritasanteriormente, predominando las de cadena y de tor-nillo sinfn. Son ms ligeras que las utilizadas a cieloabierto, y disponen el motor de avance en la parteposterior de las mismas para evitar los golpes. Ademsde los centralizadores finales, se emplean centraliza-dores.intermedios para suprimir el pandeo del varillajeque suele ser de gran longitud y pequea seccin.Como no es normal aadir varillas para la.perforacinde una pega, stas llegan a tener longitudes de hasta4,20 m, e incluso mayores. Cuando el operador tieneque controlar varios barrenos, el control de las desli-zaderas puede ser automtico con detencin de laperforacin cuando se alcanza una profundidad pre-determinada, o el martillo ha terminado su recorrido

sobre la deslizadera. Asimismo, es normal incorporarun sistema de paralelismo automtico para eliminar lasdesviaciones por errores de angulacin y dispositivosde emboquille a media potencia.

Las perforadoras pueden ser rotopercutivas o rotati-vas, segn el tipo de roca que se desee volar, el di-metro de perforacin y el rendimiento exigido. Estasperforadoras, a diferencia de las de cielo abierto, tienenun perfil bajo para poder realizar correctamente los ba-rrenos de contorno, sin una inclinacin excesiva que dlugar a dientes de sierra. Por esta razn, los sistemasde rotacin de los martillossuelen ir en posicin opues-ta a la de los de cielo abierto, quedando dentro de lasdeslizaderas.

Los dimetrosde perforacin dependen de ~asec-cin de los tneles o galeras, que para una roca deresistenC'iamedia a dura, pueden fijarse segn lo indi-cado en la Tabla 2.9.

TABLA 2.9.

SECCION DE DIAMETRO DEEXCAVACION (m2) PERFORACION (mm)

< 10 27 - 4010- 30 35 - 45>30 38 - 51

Comoparaesoscalibresel varillaje,tantosi esinte-gral comoextensible,estentrelos25mmylos37mmde dimetro,las perforadorasde interior son muchomsligerasque las de cielo abiertocon energasporgolpe msbajas y frecuenciasde impacto mayores.

En cuanto a los martillos, la tendencia ha sido lautilizacinprogresivade los accionados de forma hi-drulica en sustitucin de los neumticos,debido atodas lasventajasdescritasen epgrafesprecedentes,a las que hayque aadiraquellaque se refierea la demenorcontaminacinpor lasnieblasdeaceiteyelimi-nacin de los problemasde hielo en escapes.

Para laperforacindegrandestnelesocmaras,seutilizan los jumbos de estructuraporticadaFig.2.35.Dichasestructurasse diseanparauntrabajoespec-fico y permitenel paso de la maquinariade carga ytransportedel materialvolado habiendotrasladadoeljumbo previamentea una distancia adecuada delfrente.

Figura2.35. Jumbodetipoprtico(Tamrock).

Estosjumbos puedenllevar montadosgran nmerode brazos, as como las cestas de accinamiento hi-drulico para permitir a los artilleros la carga de losbarrenos o procedera las labores de sostenimiento.

B. Perforadoras de barrenos largos en abanico

En minera metlica subterrnease aplicancon fre-cuencia los mtodos de explotacin conocidos porcmaras y h"undimientospor subniveles. Para ifl arran-que con explosivos es necesario perforar con preci-

sin barrenos de longitudes entre los 20 y 30 m,dis-puestos en abanico sobre un plano vertical o inclinado,ascendentes y descendentes.

Inicialmente se empleaban martillos neumticos

con dimetros entre 50 y 65 mm. Los re~dimientos deperforacin y productividades en el arranque que seconseguan eran bastante bajas.

Los equipos que, an hoy da, se utilizan constan deunos martillos montados sobre deslizaderas, general-mente de tornillo sinffn, que sujetas a unos soportes debalancn o coronas ancladas a una barra transversal,

permiten cubrir todo un esquema de perforacin enabanico desde una misma posicin.

Los equipos ms pequeos van instalados sobre unpatn o skip conectado a un panel de control y losmedianos sobre vagones de neumticos autopropul-sados.

Las unidades disponen de control remoto para elmanejo de las perforadoras, Rs como de engrasadoresde lnea y dispositivos de apoyo sobre los hastiales dela excavacin para evitar los movimientos del con-junto.

ltimamente, el empleo de martillos hidrulicos yvarillajes pesados ha permitido llegar a dimetros de102 y 115 mm haciendo de nuevo interesantes estosmtodos de laboreo, ya que haban perdido terrenofrente a otros alternativos como el de crteres inverti-

dos o cmaras por banqueo.Los equipos de mayor envergadura disponen de un

sistema de perforaci'n electrohidrulico, semejante alde los jumbos sobre neumticos, y un motor trmicopara los traslados o incluso para el accionamiento de lacentral hidrulica.

Los chasis son generalmente rgidos sobre orugas oneumticos, aunque existen tambin unidades articu-ladas sobre neumticos. Las deslizaderas varan segnel fabricante, pudiendo ser de cadena, tornillo sinffn ode cilindro telescpico. Estas deslizaderas puedenmoverselateralmenteparaperforarbarrenosparaleloso girar 3600para realizar barrenos en abanico.

Para conseguir un posicionamiento firme y segurodurante el emboquille y la perforacin se dispone decilindros de anclaje de techo y muro.

. C. Perforacin de barrenos largos de gran dimetro

La aplicacin del mtodo de Crteres Invertidos y su"derivado de Barrenos Largos supusohacealgunos

Figura2.36. Vagndeperforacinyequiposobrepatnpara laejecucindebarrenoslargos(AtlasCapeo).

41

15"

70"

CONTROLREMOTO

\\t

.

";

~\\ "\ \

\ \

\ \ I./-::->-.~\

// .~~:'~-, --e /

1

---'f '-)

EE

g

6210 mm

1500 mm

4200 mm

Figura 2.37. Equipode perforacinde barrenoslargosmontadosobrechasisdeneumticos(AtlasCapeo).

aosunarevolucinen la mineriametlica,ya quepermitenelempleodegrandesdimetrosyesquemasdeperforacin,quesetraducenenunosaltosrendi-mientosyproductividadesybajoscostesdearranque.

La perforacinse realizaendimetrosqueoscilanentrelos100y 200mm,ygeneralmenteconmartillosen fondode altapresincon los quese consiguenvelocidadesdepenetracininteresantes,

Aunqueexistenalgunasmquinasmontadassobreneumticos,el tipo de chasismsutilizadoes el deorugas.Lasprincipalesdiferenciasdeestoscarrossisecomparanconlos decieloabiertoson:

,(I ~E

(1)

Tienen un diseo mscompactocon unadesliza-dera mscortay robusta,y sistemade avanceporcilindro hidrulico O cadena.

- Disponende gatos hidrulicosde nivelacin.- La cabezade rotacinproporcionaun gran parde

giro y amplio control sobre la velocidad de rota-cin.

Adems de la perforacinde los barrenosde pro-duccin se utilizanen otros trabajos como son: tala-dros paradesages,ventilacin,rellenoshidrulicos,conduccin de lneaselctricas,cueles en galerasytneles,as como parael avancede chimeneas.

E(\J

r

canterasconsistieronen la utilizacinde vagonesdeperforacincon ruedas.Estosvagonesconstande unpequeochasisen U con dos ruedasfijasV unaterceragiratoria,encuyosoportevafijadalabarradetiro paraeltransporte.Las perforadorasvanmontadassobrelasdeslizaderas,lascualespuedengirarenun planoverti-cal sobre una barra o soporte transversal.Fig. 2.40.

Sistemasdemontajeparaaplicacionesa cieloabierto

6.2.

En los trabajosa cielo abiertolos sistemasde mon-taje de las perforadorasson: chasis ligeros con neu-mticos,carros de orugasy sobre camin. Fig.2.39.

Los primerosintentosparamecanizarlostrabajosen

MARTillOEN CABEZA (38-64mm)LIGEROS

MARTillO EN FONDO (83-108mm)

SOBRE CHASISDE RUEDAS MEDIOS MARTillO EN FONDO Y TRIAlETA (114-165 mm)

PESADOS MARTillO EN FONDO Y TRICONO (158-251 mm)

EQUIPOS DE PERFORACION

DE MARTillO EN CABEZA (38-89 mm

BRAZO FIJOSUPERFICIE

MARTillO EN FONDO(83-108 mm)1

BRAZO EXTENSIBLE MARTillO EN CABEZA(64-89 mm)

MARTillO EN CABEZA (89-127mm)

BRAZO FIJO

SOBRE CHASISDE ORUGAS

MARTillO EN FONDO(83-133 mm)

MARTillO ENCABEZA

(89-140 mm)

BRAZO EXTENSIBLE

~TlllO EN FONDO Y TRICONO (159-381 mm) I

Figura 2.39. Sistemas demontajedeperforadorasdesuperficie.

Cuando se utiliza martillo en fondo es el motor derotacinneumticoel que se coloca sobre la desliza-dera.El principalinconvenientede estosequiposeseltiempo invertidoen el posicionamientoy traslado.

El sistemade montajemspopulares el constituidopor los carros sobre orugas. Los tipos de carros queexistenen la actualidadpuedendividirseen dos gru-pos: neumticose hidrulicos.

Los carros neumticos,que son los msantiguos,constande los siguientescomponentesprincipales:

- .Tren de orugas.- Motoresde traslacin.- Chasis.- Centralhidrulicaauxiliar.- Brazoy deslizadera.- Motor de avance,y- Martillo.

Las orugasson independientesy llevanun cilindrohidruliCoen cada unade ellas,interconectadosparaamortiguarel movimientooscilante,evitarloschoquesdurante los desplazamientossobre terre'noacciden-tadoypermitirlaperforacindesdeposicionesdifci-Figura 2.40. Vagnperforadorsobre neumticos.

43

CENTRALIZADOR

Figura 2.41. Carro de orugas neumtico(Ingersoll-Rand).

les. La altura sobre el suelo es un criterio de diseo

importante para salvar obstculos durante los trasla-dos.

Figura 2.42. Movimiento oscilante de las orugas (AtlasCapeo).

Los motores de traccin son independien,tes y deaccionamiento neumtico, de tipo pistn, con engra-najes cubiertos conectados a los mandos finales y fre-nos de disco.

Foto 2.1. Motor de traccinneumtico(Ingersoll-Rand).

44

El accionamiento de los cilindros hidrulicos de los

brazos y de las deslizaderas se realiza por medio deuna bomba hidrulica movida por un motor neumtico.

Los brazos de estos equipos pueden ser fijos, exten-sibles y articulados, y van anclados a un punto delchasis. En la Fig.2.43 se indican los movimientos prin-cipales de que estn dotadas las deslizaderas y brazosde estas unidades.

MOVIMIENTO DEL BRAZO

VOLTEO DE LA DESUZAOERA

@ INCUNACION DE LA DESUZADERA

(l1b@ INCLINACIDN DEL BRAZOFigura 2.43. Movimientosdel brazo y deslizadera.

Los brazos ms sofisticados, generalmente, se utili-zan en obras pblicas, pues en minera los trabajos sonms rutinariosy sobre superficies ms uniformes.

Las deslizad eras disponen de: motor de avance,martillo o cabeza de rotacin, control de mandos de laperforacin, centralizador y soporte para las varillas.

Los motores de avance son de tipo pistn y accionanlas cadenas de las deslizaderas.

Cuando se perfora con martillo en cabeza stos vanmontados sobre la deslizadera y en el caso de emplearmartillo en el fondo, son los cabezales de rotacinneumticos los que se colocan sobre las mismas.

Foto2.2. Paneldemandosdelaperforadora,centralizadorysoporte de varillas(Ingersoll-Rand).

El centralizadoro mordaza-guaasegurael correctocomienzo de los barrenos y posibilta:el cambio devarillaje.

El panelde mandossueleir instaladosobre ladesli-zaderay posibilita la seleccin de los parmetrosdeperforacin ms adecuados para cada tipo de roca.Los controlesde los motoresdetracciny cabrestan-tesse colocan generalmentesobre un brazogiratorioque permiteal operadoralejarsede la mquinaparamoverlaen condiciones de mayorseguridad.

Estos carros llevanen la parteposteriorun ganchoparael arrastredelcompresor. .

Cuando se utilizan perforadoras con martillo enfondo,con el fin de disminuirel consumodeairese haintroducido el accionamiento hidrulico en las si-guientescomponentes:motoresde traslacin,moto-res de avance,cabezasde rotaciny movimientosdela plumay deslizadera.El ahorro energticoque seconsigueeselevadotal comose reflejaen la Fig.2.44.

MOTOR DEROTACION

CENTRALIZADORY MORDAZA

MARTILLODE FONDO

a.. 200J:

~

175Q

::; 150::>(/')

~ 125U

::! 100(!)a:: 75wZW 50

MOTOR DE AVANCE

ENERGIA NEUMATICA

ENERGIA H IDRAULlCA

MOTOR DIESEL

I

MOTORES DE TRASLACION

225

//

CARRO NEUMATICO ///

///

/_./----- IlRRODRlI

v-o

80 100 110 120 130 140 150

DIAMETRO DE PERFORACION (mm)

90

Figura 2.44. Ahorro deenergiaenperforadorasneumticascon martilloen fondo y accionamientoshidrulicos.

Los carros de perforacin totalmente hidrulicospresentansobrelos equiposneumticoslassiguientesventajas:

- Menor potencia instaladay,por tanto,menorcon-sumo de combustible.

- Diseorobustoycompactoquesueleincorporarelcompresorde barridoa bordo.

- Velocidadde desplazamientoelevaday granma-niobrabilidad.

- Gamaampliadedimetrosdeperforacin,65a125mm,existiendoenel mercadoequiposquetraba-janentre200y 278mm.

- Posibilidadde colocarun cambiadorautomticodevarillasdeperforacin.

- Velocidadesde perforacinde un 50a un 100%msaltasquecon lasunidadesneumticas.

- Mejorescondicionesambientales.- Menorescostesdeperforacin.

Por el contra'rio,los inconvenientesson:

- Mayor precio de adquisicin.

- Se precisa un mantenimientoms cuidadoso ycualificado.

- La indisponibilidadmecnicasuele ser mayorqueen losequiposneumticosqueson defcil repara-cin.

En cuanto al diseo, conceptualmenteson seme-jantesa los carros neumticos,si bien presentanunaserie de diferenciasque puedenconcretarseen:

La fuente de energa suele ser un motor diesel,aunqueexistenunidadeselctricasque accionanla centralhidrulicay el compresorparael airedebarrido.

- Las bombashidrulicas,generalmentecuatro,sondecaudalfijo, aunquetambinexistenunidadesenel mercado que incorporan algunas bombas decaudalvariable.

- La presin mximadel fluido hidrulico suele serinferior a los 20 MPa.

- Comoelementosopcionalesquesuelenllevarmsfrecuentemente,adems del captador de polvo,estnlascabinasdel operadorinsonorizadasy cli-matizadasy los cambiadoresautomticosde vari-llas, cabrestantesy gatos hidrulicos.

- La mayora de las casas fabricantes incorporansistemas'antiatranques.Fig.2.46.

- Las orugas disponen de tensores ajustables hi-drulicamente.

- Los motoresdetraccin suelenserdeltipo de pis-tones axialesinclinadoscon desplazamientofijo ysimtrico para poder giraren ambos sentidos.

- Las deslizaderasllevanun tambordesplazablederecogiday guiado de las manguerashidrulicas.

- Los motoresdeavancehidrulicosejercenfuerzasmximashaciaadelantey haciaatrsentre20y32kN, convelocidadesdeavancedehasta40m/min.

- La gua de las varillas es hidrurica as como eltope de sta.

- El depsito de combustibletiene capacidadsufi-ciente para operar durante uno o dos relevosenalgunos casos.

El montajesobre caminslo se utilizacon equipos

45

DESLlZADERA HIDRAULlCA DE CADENA

TAMBOR DE TUBERIAS FL.EXIBL.ES

BRAZO ARTICUL.ADO

GATO HIDRAUL.ICO

UNIDAD DE TRACCION

Figura 2.45. Carro hidrulico (Atlas Capeo).

J

ANTIATRANQUEPERFORACION

tI t Motordeempuje

Aceitepara--'arotacin--

.., "Altopar

Figura 2.46. Esquemade funcionamientodel sistema antiatranques(Tamrock).

46

rotativosy/o de martillo en fondo que disponen decompresoresde alta presin

En ocasiones,se utilizanpequeaspalas de ruedasmultiusoequipadascon un brazoretrosobreel que semontaunaperforadora.

Estas unidadesson capacesde perforarbarrenosde22 a 89 mmde dimetroconvarillajeintegralo extensi-ble. Los trabajosque realizanmsfrecuentementeson:perforacinsecundaria,zanjas,cimentaciones,etc.

6.3. Perforadoras manuales

Las perforadoras manuales de interior y de cieloabierto son, conceptual mente y forma de trabajo, si-milares, y slo se diferencian en pequeos detalles.

La empuadura de las de exterior es abierta, parasujetar el martillo con las dos manos, mientras que enlas de interior, con el fin de adaptarlas al barrenadohorizontal, la empuadura es cerrada y para una solamano.

En las primeras, el accionamiento y barrido es total-

.,t

Figura 2.47. Perforadora de mano (Gardner-Denver).

mente neumtico, mientras que en las que se utilizanen trabajos subterrneos el barrido puede realizarsecon agua y/o aire. La presin del agua debe ser siempreinferior a la del aire para evitar inundar al martillo.

Las barrenas se fijan a las perforadoras por medio deretenedores en forma de aJdaba. Son de tipo integralcon dimetros de perforacin de 22 a45 mm y longitu-des de 400 a 6.400 mm.

Los diseos se diferencian en los sistemas de vlvula

utilizados, oscilante o tubular, y mecanismo de rota-cin, barra estriada o rueda de trinquetes. En funcindel peso, pueden clasificarse en ligeras, medianas ypesadas (20, 30 Y 40 kg). Los consumos de aire oscilanentre los 50y 100 l/s y las dimensiones de los pistones ycarreras de los mismos varan entre 65 a 80 mm y 45 a70 mm, con frecuencias de impactos entre 30 y 50golpes por segundo.

Para amortiguar el ruido del escape pueden colo-carse silenciadores que rodeen a las camisas de loscilindros, los silenciadores apenas afectan a las velo-cidades de perforacin y reducen el nivel de ruido enunos 7dB.

Las aplicaciones ms importantes en los trabajos acielo abierto son: taqueo de bolos y repis, perforacinpara obras de pequea envergadura, 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 pequeaseccin y longitud, donde no se justifica la inversin enequipos mecanizados. En estos casos suele trabajarsecon empujadores para la realizacin de barrenos hori-zontales y columnas o cilindros de avance cuando laperforacin es vertical.

7. CAPTADORES DE POLVO

.

La eliminacin del polvo producido durante laperforacin se realiza con dos fines: mejorar lascondiciones de trabajo y aumentar la productividad.

El polvo de perforacin, especialmente si la rocapresenta un alto contenido en slice y el tamao esinferior a 0,005 mm, .constituye un riesgo para la sa-lud de los operadores, por lo que en muchos pasesexisten normas de seguridad o higiene que obligan asu eliminacin.

Otros argumentos tcnicos y econmicos que jus-tifican el empleo de los captado res son:

- Menores costes de mantenimiento del equipomotocompresor, con una disponibilidad mec-nica ms alta.

- Mayor velocidad de penetracin, entre un 2 y un10%, debido a que el detrito se arrastra fuera delbarreno evitndose su remolienda. Adems, el

operador puede estar ms cerca de los mandosde la mquina incrementndose la eficiencia y elcontrol de la perforacin.

- Costes de perforacin ms bajos, tanto por elmayor rendimiento como por la disminucin delos costes de desgastes, fundamentalmente debocas.

47

"H~ilb LhJ

1. Bom mleCloca

2. MO"9,eco de o'pieo"3. U"idad de ilteo

4. Tobeco de imp,l,i"

Figura 2.48. Captadoresde polvo (Atlas Capeo).

- Posibilidad de recoger muestrasrepresentativasde las rocasatravesadasparael controlde leyesyplanificacin.

En la actualidad, todos los equipos de perforacinpuedentrabajar con captadores de polvo, incluidoslos martillos manuales.Presentannotables ventajastcnicasfrentea los sistemasde inyeccinde agua oaguacon espumante,y stosslo se justificancuandodurante la perforacin las formaciones rocosas pre-

sntan agua.Los captadores de polvo constanbsicar;:\entede:

- Una campanade aspiracin,que se coloca en lasuperficie en el punto de emboquilledel barrenoy donde se aspira el polvo que se envaa travsde una manguera a la unidad de separacin yfiltrado.

- Sistema de separacin y filtrado. Se realiza endos etapas:en la primerase efectaun ciclonadoseparando la mayor parte,del polvo grueso y latotalidad de las partculas grandes, y en la se-gunda se lleva a cabo el filtrado reteniendoelresto del polvo con unos tamaosinferioresa las5 .1m.

- Sistemade depresino vacoparcialdelconjunto,

48

con ventiladorsituadoen la etapafinaldespusdela unidad de filtrado y que se acciona con unafuentede energaelctricao hidrulica,y ocasio-nalmentede forma neumtica.

La campanade aspiracintienedos aberturas:unaen lapartesuperiorparadejarpasoalvarillajeyotraenla inferiorde mayordimetropordondepasaelairedebarridocon el detritoypolvo.El diseodelacampanadebe evitar las fugas de aire dentro de la misma alproducirselaexpansindelpolvodeperforacin.Estose consigueen los equipospequeosgraciasa lasuc-cin delventilador,yen los equiposgrandesmedianteun eyector de aire comprimido que aumenta dichacapacidadde succin,

Los captadores pequeos tienen filtros tubulares,con retencininterior,mientrasqueen los grandessesuelen utilizarfiltros planos con retencinexterior.

La limpiezade los filtrosserealizaregularyautom-ticamenteencadacambiodevarillao tubodeperfora-cin. Los filtros tubularesse limpian medianteun vi-bradordebolas queproducelasacudidadestosyenlos de filtros planos con impulsos neumticosde so-plado.

El polvo puede recogerseen bolsas o depositarsedirectamentesobre la superficiedel banco.

8. INCLlNOMETROS

En los ltimos aos se han desarrollado una serie de

aparatos, conocidos con el nombre genrico de incli-nmetros, que sirven para controlar la direccin de losbarrenos. Las ventajas que reportan la utilizacin deestos instrumentos son:

- Aumento de la productividad al disminuirse lostiempos invertidos en el posicionamiento de lasdeslizaderas.

- Menores errores de alineacin de los taladros, con

lo cual es posible ampliar la malla de perforacin yprofundidad de los barrenos, reducir el consumoespecffico de explosivo manteniendo la fragmen-tacin, y disminuir las sobreexcavaciones y costesde sostenimiento.

Existe una gran variedad de modelos que van desdelos mecnicos, pasando por los pticos, hasta loselectrnicos que son los que ms se utilizan en laboressubterrneas. Entre los ms conocidos estn los si-guientes: DIT-70 de Atlas-Copco, Inklinator de Trans-tonic, Inogbn, etc.

/

/

Figura 2.49. Inclinmetro.d'

9. VELOCIDAD DE PENETRACION

/

La velocidad de penetracin conseguida por unequipo rotopercutivo depende de los siguientes fac-to res:

/

- Caractersticas geomecnicas, mineralgicas y deabrasividadde las rocas.

- Potencia de percusin de la perforadora.

/

- Dimetro del barreno.

- Empuje sobre la boca.

- Longitud de perforacin.

- Limpieza del fondo del barreno.

- Diseo del equipo y condiciones de trabajo, y

- Eficiencia de la operacin.

Para un equipo dado, la velocidad de penetracinpuede predecirsea travsde los siguientesprocedi-mientos:

- Extrapolando los datos obtenidos en otras condi-ciones de trabajo.

- Con frmulas empricas.

- Mediante ensayos de laboratorio sobre muestrasrepresentativas.

Este ltimo mtodo, es el ms fiable y riguroso por loque,ser objeto de una especial atencin.

9.1. Extrapolacin de datos reales

Cuando se conoce la velocidad de pe.netracin paraun dimetro dado puede estimarse la que se consegui-ra con el mismo equipo y un dimetro menor o mayorutilizando la Tabla 2.10.

Por ejemplo, si perforando a 76 mm se consiguen36 m/h de velocidad instantnea de penetracin, ha-cindolo a 102 mm el ritmo de avance conseguido

sera aproximadamente 36 x 0,65 = 23,4 m/h.Analticamente, puede calcularse el coeficiente de

correccin con la siguiente frmula:

F=(6:rs

9.2. Frmulasempricas

Una frmulaque se utilizapara estimarla velocidad-de penetracinen una rocatipocomoes el granitoBa-rre de Vermunt(Estados Unidos),que suele tomarsecomopatrn,es la siguiente:

POT

VP (m/min)=31 '-D',4

donde:

POT =Potencia cintica disponible en el martillo(kW).

D =Dimetrodelbarreno(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 granitoBarre, de 0,88 m/min.

49

TABLA 2.10. CONVERSION DE VELOCIDADES A DISTINTOS DIAMETROS

Para rocas con una resistencia a la compresin su-perior a 80 MPa y perforando con martillos en fondo sinvlvula, puede aplicarse la siguiente expresin:

1

43 x P 2 d~2VP = m

(3,5 1).

RC RC + x D2 X DI /Ddonde:

VP = Velocidad de 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 larocaa la compresinsimple

(libras/pulg2/100).

Nota:

1 libra/pulg2= 1,423MPa.i pulg = 25,4mm.

9.3. Ensayos de laboratorio

A. Mtodo de la Energa Especfica... (U. S. Bureau of Mines)

,r

La velocidadde penetracinsecalculaa partirde:

VP = 48 X PM X Ren X D2 X Ey

donde:

VP = Velocidad de penetracin (cm/min).PM = Potencia de la perforadora (kgm/min).Re = Rendimiento de transmisin de energa,

normalmente entre 0,6 y 0,8.D = Dimetro del barreno (cm).Ey = Energa especfica por unidad de volumen

(kgm/cm3).

50

Para determinar la Energa Especfica y el Coefi-cienie de Resstencia de la Roca "CRS es precisohacer un sencillo ensayo de laboratorio, consistenteen dejar caer una pesa sobre la muestra de roca deunos15cm3 undeterminadonmerodevecesy medirel porcentaje de material inferior a 0,5 mm (Paone yotros, 1969).La relacin entre la Resistencia a la Com-presin Simple y el CRS se muestra en la Fig. 2.50.

10- 9(f) 8C!::~ 7

~ !j

wo

w

~1.0w .9S2 .8lL.w .7oU .6

.5

.4

.3

.2

0.1200 300 400 500 600100

RESISTENCIA A LA COMPRESION(MPa)

Figura 2.50. Relacin entre la Resistencia a la Compresin yel Coeficiente de Resistencia de la Roca.

DIAMETRO

BARRENO 127 114 102 89 76 70 64 57 51 48 44 41 38

(mm)

127 1,00 1,17 1,40 1,71 2,15 2,46 2,83 3,31 3,96 4,35 4,82 5,41 6,10114 0,85 1,00 1,19 1,45 1,83 2,09 2,41 2,82 3,37 3,71 4,11 4,61 5,19102 0,72 0,84 1,00 1,22 1,54 1,75 2,02 2,36 2,82 3,11 3,45 3,86 4,3589 0,59 0,69 0,82 1,00 1,26 1,44 1,65 1,94 2,32 2,55 2,82 3,17 3,5676 0,46 0,55 0,65 0,79 1,00 1,14 1,31 1,54 1,84 2,02 2,24 2,51 2,8270 0,41 0,48 0,57 0,70 0,88 1,00 1,15 1,35 1,61 1,77 1,97 2,20 2,4864 0,35 0,42 0,50 0,61 0,76 0,87 1,00 1,17 1,40 1,54 1,71 1,91 2,1557 0,30 0,35 0,42 0,52 0,65 0,74 0,85 1,00 1,19 1,31 1,46 1,63 1,8451 0,25 0,30 0,35 0,43 0,54 0,62 0,72 0,84 1,00 1,10 1,22 1,37 1,5448 0,23 0,28 0,32 0,39 0,49 0,56 0,65 0,76 0,91 1,00 1,11 1,24 1,4044 0,21 0,24 0,29 0,35 0,45 0,51 0,59 0,69 0,82 0,90 1,00 1,12 1,2641 0,19 0,22 0,26 0,32 0,40 0,45 0,52 0,61 0,73 0,81 0,89 1,00 0,0838 0,16 0,19 0,23 0,28 0,34 0,40 0,46 0,54 0,65 0,72 0,79 0,89 1,00

Asimismo, entre el CRS" y la Energa Especfica

Ev'>existe una relacin como la que se inpica en la Fig.2.51. (Paone, Madson y Bruce, 1969).

/~ 8::>~:9VIel>'0. 6

lOQ

~5,0~

E()

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TABLA 2.11

METODO DE PERFORACJON

< "".!"

'"

~;;;"Oou:i...'"wzw"-

~ 100

MARTillO EN CABEZA HIORAULlCO

MARTILLO EN CABEZA NEUMATICO

a

;3u ,o'3w>

MARTillO EN FONDO ALTA PRESION (2S boc)

ROTATIVA

MARTillO EN FONDD eONVENeloNALC.IOboc! "

,.

o INDleE DE PERFDRABILlDAD (DRI)

I TAeONITA I MAGNETITAI ~I eUARelTA I IGNEIS GRANITleo I

GNEIS

I DIABASA I [ PEGMATITA

Figura 2.55, Velocidadesdepenetracinobtenidasen dife-rentes condicio/].es'de trabajo. .

En la Tabla 2.11 se recoge, para diferentes tipos derocas, una equivalencia aproximada entre la resistencia

a la compresin, los ndices de dureza Mohs y Vickers, yel ndice de perforabilidad DRI.

52

'--

'--

'--

'--

'--

"-

'--

'--

'--

No obstante,se ha de teneren cuentaque unarocabajounamismadenominacinlitolgicapuedepresen-tardistintascaractersticasde dureza.Por ello,los ndi-ces ah reflejadossonmeramenteorientativos.

'--

'--

C. Indice de perforabilidad Ip"--

Este ensayo se realiza actualmente en la E.T.S. deIngenieros de Minas de Madrid y trata de reproducir elfenmeno real de rotopercusin mediante el empleode una taladradora elctrica que se desliza sobre unbastidor ejerciendo un empuje constante sobre la rocaa estudiar.

Las muestras, con el tamao de un puo, se preparanpulimentando una superficie plana y a continuacin seintroducen en una cazoleta con yeso para su sujec-cin, dejando la cara plana paralela a la base.

La broca empleada tiene un dimetro de 9,5 mm ycon ella se hacen 3 4 taladros durante 3 5segundos,que se controlan con un temporizador elctrico. Elpolvo producido durante la perforacin se elimina so-plando con aire comprimido.

Una vez ensayadas las muestras se mide con unasonda micromtrica la longitud de cada taladro oete-niendo el valor medio de las mismas. A continuacin, elIndice de Perforabilidad Ipse calcula como la veloci-dad de penetracin expresada en pulgadas por mi-nuto.

A partir del trabajo de investigacin llevado a cabopor J. Bernaola (1985) en el que se correlacionan, endiversos dimetros y tipos de bocas, las velocidades

'--

"-

'--

'--

"-

'--

'-----

'--

DUREZA DUREZA COEFICIENTE INDICEICLASIFICACIONTIPO DE ROCA RC(MPa) MOHS VICKERS PROTADIAKONOV DRI

Carbn. Mrmol 10 700 >15

reales de penetracin con martillos de diferentes ca-

ractersticas con los ndices Ip obtenidos sobre lasmismas rocas, este ensayo sirve para predecir el ren-dimiento obtenido con un equipo determinado dandolos siguientes pasos:

1. Obtencin del ndice lpde la roca en laboratorio.

2. Definicin de las caractersticas del martillo per-forador.

3.

Eg = Energa por golpe (libras x pie).

ng= Nmero de golpes por minuto.

Determinacinde la longitud de filo Lr de laherramienta de perforacin. Para bocas de pasti-llas se cumple:

Lr = 1,7 D - 0,7

donde:

D = Dimetro de la boca

Si se utilizan bocas de botones la velocidad de

penetracin obtenida para el dimetro estudiadose multiplica por 1,15Y con bocas de bisel por 0,85.

4. Clculo de la velocidad de penetracin mediante lafrmula:

vp= Egxng x10-6(51 xl +90)1 p

D x Lr2

10. VELOCIDAD MEDIA DE PERFORACION

La velocidadmediaalcanzadapor una perforadoraen un perododetrabajo largodepende,al margendela eficienciade organizacin,de los siguientesfacto-res:

- Profundidad de los barrenos.

- Tiempos de maniobras.

La longitud de los barrenos marca el nmero devgrillas y empalmes de la sarta de perforacin, queafectan 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-ximadamente por fricciones que se transforman encalor.

- Rozamientos internos con elevacin subsiguientede la temperatura del varillaje, al actuar ste comovehculo de transmisin de 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 velocidad de penetra-

cin media que resulta puede as calcularse en funcindel nmero de varillas empleado, teniendo en cuentauna cada media del rendimiento del 9% equivalente a

la prdida de energa:

vp = vpm -xNy

1 - 0,91Nv

0,09

donde:

Ny = Nmero de varillas utilizado.VP = Velocid2.d de penetracin conseguida con

la primera varilla.

Cuando se perfora corrmartillo en fondo, la veloci-dad de penetracin prcticamente permanece cons-tante con la profundidad, pues las tuberas no consti-tuyen el medio fsico de transmisin de la energa depercusin, ya que slo se utilizan para canalizar el airede accionamiento y efectuar la rotacin.

Una vez obtenido el valor medio de la velocidad de

penetracin se pasa a corregir sta por los tiemposmuertos o no productivos derivados de:

- Desplazamientos de la mquina de un barreno aotro.

- Posicionamiento y emboquillado.

- Cambio y extraccin de varillas.

- Limpieza del barreno, atascos, etc.

Si suponemos unos equipos de superficie, con o sincambiador automtico de varillas, tendremos los si-

guientes tiempos medios:

TABLA 2.12.

Los tiempos restantesde maniobrason:

TABLA 2.13.

As, un equipo con cambiador automtico en unbanco bajo que requiera una sola maniobra de varillaspresenta un tiempo total no productivo de 6,9 mino

53

CAMBIODEVARILLA

MANUAL AUTOMATICO

Tiempo de poner varilla 1,0 min 0,9 minTiempo de quitar varilla 1,5 min 1,0 min

Tiempo total de varilla 2,5 min 1,9 min

OPERACION TIEMPO

Cambio de barreno 3 min

Posicionamiento y emboquille 1 minLimpieza de barreno 1 min

40

c:

~E 1602zQ 140Uc:(Q:

t;j120Zwc..

~100Oc:(

801 '_----gw> 60.

15

/1.'// I

~:./ I.y'" I

tII

20 2'5 30 35 40 45VELOCIDAD DE PERFORACION (m/h)

VARILLAS DE 3,6m.

- VARILLAS DE 3 m.

Figura 2.56. Velocidadesdeperforacinobtenidasparadi"ferentesalturasdebancoconsiderandounostiemposde5min eneldesplazamientoy emboquilley 1,9min enlama-niobradevarillas.

40

.!: 160E"-Eu

~ 140ZoU~1201-WZWc.. 100woog 80Ugw 60.>

20 25 3035 40 4550. 55VELOCIDAD DE PERFORACION (m/h)

Figura 2.57. Velocidadesmedidasde perforacinen elavancemecanizadode tnelesy galeras.

,;/'

Lascifrasanterioressonorientativasypuedenvariarenfuncindelascondicionesdetrabajo,caractersti-casdelequipo,etc.

Otraformamsrpidade estimarla velocidaddeperforacinfinalconsisteen la utilizacindebacoscomolosdelasFigs.2.56y2.57.quecorrespondenacarrosdesuperficiey jumbos,y quehansidocons-truidos para unos tiempostotales de maniobrapreestablecidos.

Porotrolado,enel casodeexcavacindetnelesygalerasaseccincompleta,esprecisotenerencuentaqueelcicloduradeunoadosrelevos,dependiendofun-damentalmentedelaseccinyelgradodesostenimien-to requerido.El tiempototalsueledistribuirsedelafor-masiguiente:

54

- Perforacin.......................................- Cargadelexplosivo...........................- Voladurayventilacin.......................- Desescombro....................................- Saneoysostenimiento.....................

10-30%5-15%5-10%

10-30%70-15%

Enloscasosmsdesfavorableselsostenimientopue-dellegarasuponerel70%deltiempodeciclo,debiendoplantearseentalessituacioneslaconvenienciadeapli-cacindeunmtododeexcavacinmecnico.

Por ltimo,en la Tabla2.14se indicanlos datosyrendimientosmediosobtenidospordiferentesequiposdeperforacinrotopercutivaenunarocadetipome-dio.

11. CALCULO DE COSTE DE PERFORACION

Elcostedeperforacinsesueleexpresarpormetroperforadoutilizandolasiguientefrmuladeclculo:

C - CA+C+CM+Ca+CE+CL CT - + sVM

donde:

Costes Indirectos

CA = Amortizacin(PTA/h).Cl = Intereses y seguros (PTA/h).

Costes Directos

CM = Mantenimientoy reparaciones(PTA/h).Ca = Manode obra (PTA/h).CE = Combustibleo energa(PTA/h).CL = Aceites,grasasy filtros (PTA/h).Cs = Bocas,varillas,manguitosy adaptadores

(PTA/m).VM = Velocidad mediade perforacin (m/h).

11.1. Amortizacin

La amortizacindependebsicamentede dos fac-tores:de la prdidadevalorydeterioroproducidoporel uso y de la prdidadebidaal paso del tiempo.

'" El costehorariodeamortizacin,si se consideraquees lineal,se calcula de la siguienteforma:

C = Precio de adquisicin- Valor residualA Horasde vida

La vidaoperativade los carrosde orugasse estimaentre8.000y 12.000h paralos que montanmartilloencabezayentre10.000y 15.000h,paralos demartilloenfondo. Es importanteteneren cuentaque lasvidasdelos martillosson probablementela mitadde las cifrasindicadas,por lo quees convenienteincluir dentrodela cantidada amortizarla adquisicinde otraunidad.

TABLA 2.14. DATOS Y RENDIMIENTOS DE EQUIPOS DE PERFORACION ROTOPERCUTIVA

11.2. Intereses, Seguros e Impuestos

En el clculo de este coste se aplica la siguienteexpresin:

N+1x Preciode adquisicinx

C - 2 N % (Intereses+seguros+impuesos)1 - Horas de trabajo al ao

Siendo:

N = Nmero de aos de vida.

~1.3. Mantenimiento y reparaciones!f/'

Incluye los costes de mantenimiento preventivo yaveras. Se estima con la siguiente expresin:

Precio del Equipo x FR (%)CM = 1.000

donde:

FR = Factor de Reparacin.

Unas cifras orientativas del Factor de Reparacinpara los equipos neumticos son las que se recogenen la Tabla 2.15, donde se consideran, por un lado,slo los repuestos y, por otro, los repuestos ms lamano de obra de mantenimiento.

11.4. Mano de obra

Corresponde al coste horario del perforista, inclu-yendo gastos sociales, vacaciones, etc., y del, ayu-dante cuando se precise.

11.5. Combustible o energa

Este coste se calcula a partir de las especificacionesde los motores que monte la mquina y elconpresor,

TABLA 2.15

55

RANGONORMAL COMPRESOR

NUMERO DE VELOCIDAD VELOCIDAD

DIAMETRO PROFUNDIDAD OPERADORES DE MEDIADE CAUDAL

PENETRACION PERFORACION DEAIRE PRESION

(mm) MAXIMA MEDIA (cm/min) (m/h) (l/s) (MPa)

(m) (mi

Martillo de mano 20 kg 32-38 1,5 1,0 1 25 4 30 0,7

Martillo de mano 30 kg 38-45 3,0 2,0 1 35 6 60 0,7

Vagn perforador sobre

ruedas (pequeo) 38-48 8,0 5,0 1-2 45 13 80 0,7(f)

Vagn perforadorsobreo'-'ruedas 48-64 12,0 7,0 1-2 55 16 200 0,7f=

Carro perforador sobre::;::>orugas (martillo enwzcabeza) 64-100 20,0 10,0 1-2 60 19 300-350 0,7

Carro perforador sobreorugas (martillo enfondo) 85-150 30,0 15,0 1-2 40 13 200 1,2

(f)

Carro sobre orugaso'-':J pequeo 50-75 20,0 10,0 1-2 80 25 70 0,7::> Carro sobre orugastI:o grande 64-125 30,0 15,0 1-2 100 35 80 0,7:r:

FACTOR DE REPARACION

EQUIPOS(NEUMATICOS)REPUESTOS REPUESTOS

+M.O

Carro sin perforadora- Para martillo en cabeza 4 - 6% 8 - 12%- Para martillo en fondo 3 - 5% 6 - 10%

Perforadora- Martillo en cabeza 6 - 10% 12 - 20%- Martillo en fondo 8 - 12% 16 - 24%

Martillo manual 6 - 10% 12 - 20%

Compresor porttil 2 - 3% 4-6%

que pueden ser de tipo disel o elctrico. Para losprimerosse aplica la siguienteexpresin:

CE=0,3 x POTENCIA(kW)x FC x PrecioCombustible CE=0,22x POTENCIA(HP)x FC x PrecioCombustible

siendo:

FC=Factordecombustible,quevaraentre0,65y0,85.

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Cabeza.11SeminariodeIngenieradeArranquedeRocascon Explosivos en Proyectos Subterrneos. FundacinGmez-Pardo,1987.

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11.6. Aceites, grasas y filtros

Seestimacomo unporcentajedelconsumodeener-ga,y oscila generalmenteentreel 10y el 20%,segnlas mquinas.

11.7. Bocas, varillas, manguitosy adaptadores

Es una de las partidasms importantesque puedecalcularsea partirde losdatosindicadosenel captulosiguientede Accesoriosde PerforacinRotopercutiva.

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