Superficial III - Perforación

Minera Superficial Ing. Jorge Durant Broden - FIM

98

CAPTULO III OPERACIONES UNITARIAS

PERFORACION

INTRODUCCIN

Los mtodos de explotacin en minera estn basados principalmente en diferentes

operaciones unitarias (perforacin, voladura, carguo, acarreo), las cuales es necesario cumplir

con eficiencia y productividad a fin de lograr maximizar el valor actual neto del yacimiento y

conseguir la rentabilidad mnima esperada por la empresa.

Este objetivo, en un entorno donde las cotizaciones de los minerales disminuyen y los costos

aumentan, es cada vez de ms difcil consecucin. Ms an cuando estas operaciones unitarias

tienen un carcter cclico, en donde los equipos solamente emplean un pequeo porcentaje de

su ciclo operativo en tareas que implican una produccin efectiva, por lo que el tema de la

productividad de las operaciones es una preocupacin constante.

Es por lo expuesto que el estudio, anlisis y optimizacin de las operaciones unitarias en

minera en general y particularmente en minera superficial, es de vital importancia.

En el presente captulo se analizaran cada una de estas operaciones unitarias a fin de describir

sus aspectos ms importantes y lograr un adecuado conocimiento de los KPis (Key

Performance Indicators) que las gobiernan. Facilitando as la labor del futuro ingeniero de

minas, quien en el da a da de su labor se ver obligado a optimizar la eficiencia y

productividad de la empresa.


99

PERFORACION

Por necesidad la primera de las operaciones unitarias llevadas a cabo durante la etapa de

explotacin en minera superficial es la perforacin primaria. Esta precede a la voladura, con la

cual se encuentra asociada, constituyendo las dos operaciones unitarias llevadas a cabo para

fragmentar la roca. El propsito de la perforacin primaria es el de perforar los taladros en

donde ubicar los explosivos. Hasta el momento no se han desarrollado mtodos alternativos a

la voladura para fragmentar rocas resistentes.

Tambin se emplea la perforacin para propsitos diferentes a la obtencin de taladros de

voladura. Otra de sus aplicaciones se encuentra en exploracin para la obtencin de muestras,

durante el desarrollo de la mina para efectos de drenaje, estabilidad de taludes. Sin embargo

estos mtodos de perforacin son nicos y requieren de equipos especializados.

Durante la operacin de perforacin se pueden encontrar varios tipos de rocas, que sean estas

mineral o desmonte no tiene mayor importancia en la seleccin del mtodo de perforacin,

ms si la resistencia que estas ofrezcan a la penetracin y la forma en que estas ocurran

geolgicamente. La misma perforadora puede ser empleada en desmonte o en mineral, pero

se pueden emplear diferentes mtodos en la misma mina para adecuarse a variaciones en el

mineral. En tanto la tierra y otro tipo de material suelto no necesita de voladura, en ocasiones

estas necesitan ser atravesadas por un taladro cuando sobreyacen a la roca, o cuando estas

puedan ser parcialmente removidas mediante explosivos en forma econmica.

El objetivo del proceso de perforacin es construir un espacio fsico dentro de la roca que ser

removida (taladros de perforacin), para luego colocar el explosivo en estos taladros, los que

posteriormente sern disparados. Para materializar esta actividad es necesario ejecutar la

siguiente secuencia:

Programacin de la ubicacin de los taladros a perforar.

Seleccin del equipo a utilizar.

Preparacin de la zona de trabajo (topografa y limpieza).

Posicionamiento de los equipos (en cada taladro).

Perforacin (de cada taladro)

Muestreo de detritus.

Verificacin de la calidad y cantidad de taladros perforados.

Esta secuencia se cumple hasta que se hayan perforado todos los sectores programados, para

luego proceder a retirar el equipo de dichos sectores.

Es necesario optimizar la voladura en funcin del equipo de perforacin que se disponga, el

que deber proporcionar la ms alta productividad y la ms alta disponibilidad a fin de que las

operaciones de perforacin y disparo se mantengan delante de la excavacin a los ms bajos

costos de mantenimiento y operacin.


100

HISTORIA DE LA PERFORACION

Originalmente la perforacin de taladros por el mtodo rotativo fue efectuada por brocas de

arrastre hasta el ao de 1949. Este mtodo fue aplicado en formaciones suaves, de tal forma

que la perforacin rotativa se practicaba principalmente en la remocin de la sobrecarga en

minera del carbn. En 1949 se descubri que la circulacin de aire para remover los detritus

de perforacin incrementaba el cociente de penetracin, as como prolongaba la vida de las

brocas rotatorias. Anteriormente a este descubrimiento, y desde su introduccin en la

perforacin de taladros petroleros en 1,907 se estuvo utilizando el agua como fluido de

circulacin en estas brocas.

La dependencia del agua para la limpieza del taladro ha demorado la aceptacin de las brocas

con elementos de corte rotativos debido a los problemas de almacenamiento y congelacin

del agua, as como debido a la prdida de la misma a travs de las fracturas de la formacin.

Una vez que se introdujeran los elementos cortantes rotatorios, se desarrollaron mejoras

subsecuentes en las herramientas para hacerlas ms adaptables a las formaciones duras.

Actualmente este sistema es empleado en las ms duras formaciones hoy encontradas.

RELACIONES ENTRE PERFORACION Y DEMAS AREAS

Relacin de perforacin con voladura: La voladura es el primer cliente de la

perforacin ya que si los disparos no cumplen con las especificaciones del cliente se

aumenta la probabilidad de fracaso en la calidad de la voladura, lo que desencadenara

un grave problema en cuanto a la operacin, costos y produccin. Por ejemplo

taladros ms cortos de lo especificado generarn pisos irregulares o la necesidad de

voladura secundaria; por el contrario, taladros ms largos podran generar sobre-

excavacin.

A su vez la voladura acta como proveedor de informacin a la perforacin, en el

sentido que entregar sus requisitos en cuanto a la calidad de la perforacin.

Relacin de perforacin con carguo: Si el procedimiento de perforacin no respet la

ubicacin especfica de cada taladro, es decir la malla no se perforo segn el diseo, se

generarn algunos taladros con mayor o menor espaciamiento; los que despus de

efectuada la voladura podran traducirse en diferencias en la fragmentacin del

material con respecto a la esperada. Por ejemplo, mayores tamaos del material a ser

cargado (requirindose de perforacin y voladura secundaria), fragmentos de material

demasiado pequeos (lo que significa elevados costos en perforacin y disparo y

disminuye el rendimiento de la molienda SAG).

Otro efecto negativo en el carguo que generara el no respetar la longitud de diseo

de los taladros es que, por ejemplo los taladros ms largos podran generar sobre

excavacin y los taladros ms cortos pisos irregulares que pueden daar los equipos de

carguo.

Relacin de la perforacin con los Factores Geomtricos y Geomecnicos: La

posibilidad de construir bancos dobles o de mayor altura influir en la operacin de la


101

perforacin (equipos y costos), ya que no siempre con los mismos recursos podrn

garantizarse los resultados para este tipo de cambios operacionales. En lo que a

geomecnica se refiere, la perforacin necesita informacin para estimar si es

necesario cambiar alguna variable de operacin (por ejemplo espaciamiento y/o

inclinacin de los taladros). En el caso de perforacin en la pared del pit final se tendr

en cuenta la posibilidad de realizar perforacin para precorte o perforaciones con

menores dimetros.

Como cliente, la geomecnica recibe informacin de la perforacin acerca de cambios

relevantes en el tipo de roca perforada, los que pudieran no haber estado

contemplados.

Seguridad, salud y medio ambiente: Actualmente los equipos cuentan con

captadores de polvo, los que deben estar bien mantenidos para garantizar su

efectividad.

FUNDAMENTOS DE LA OPERACION

A fin de iniciar la perforacin se deben haber definido previamente los puntos a perforar y se

debe de disponer de acceso al sector de trabajo.

La operacin se realiza con diferentes tipos de perforadoras (rotativas, DTH) y equipos

auxiliares (compresores, captadores de polvo). Las caractersticas de la flota de perforadoras

seleccionadas tendrn directa relacin con las caractersticas de la mina tanto fsicas,

geomtricas y operacionales (rendimientos exigidos, envergadura de los disparos, sectores

especiales)

El operador posiciona su equipo en los puntos especificados en el diagrama de perforacin, fija

el equipo y da inicio a la operacin. La cual bsicamente consta del apoyo de la broca de

perforacin sobre el terreno e inicia la perforacin con las especificaciones de velocidad de

rotacin, pulldown (empuje) y velocidad de aire de barrido en funcin de las caractersticas de

la roca perforar. A medida que se va profundizando el taladro llega un momento en que se

debe realizar la adicin de un nuevo barretn (barra larga si es que la longitud del taladro as lo


102

requiere), lo cual se realiza mediante el carrusel de barras de la misma mquina. Una vez

finalizada la perforacin se procede a retirar del taladro el set de barretones.

A fin de desarrollar una buena perforacin es necesario considerar los siguientes factores:

1. Suficiente fuerza de rotacin en el barreno para girar la broca en cualquier estrato

encontrado.

2. Suficiente fuerza de empuje en la broca (Pull Down) a fin de optimizar la velocidad de

penetracin.

3. Suficiente presin y caudal de aire comprimido a fin de asegurar la remocin del

detritus de perforacin; as como para refrigerar los cojinetes de las brocas.

El costo de perforacin de una operacin en particular depender de varios factores, entre

ellos: dureza de la roca, presencia de estructuras geolgicas, calidad de los aceros,

mantenimiento de los equipos y calidad de los operadores. De acuerdo a la experiencia

prctica se puede indicar que los costos de perforacin (incluyendo los de operaciones y

mantenimiento), fluctan entre un 10% y un 15% del costo global de la operacin de la mina;

normalmente el costo del metro perforado se ubica entre $6.00 a $15.00 por metro perforado,

dependiendo del tipo y la edad de los equipos disponibles.

En cuanto al precio de las perforadoras se tienen montos del orden de $400,000 a $1600,000

(dependiendo de los potenciales de la mquina y de sus prestaciones). Este amplio rango de

precios que se encuentran en el mercado obedece a que es posible diferenciar tres segmentos


103

distintos de perforadoras: DTH (4.5 a 7 de dimetro: $250,000 a $450,000); Rotativa sobre

neumticos (6 a 12: $500,000 a $900,000) y Rotativa sobre orugas (8 a 12: $600,000 a

$1600,000).

COMPONENTES OPERATIVOS DEL SISTEMA

Hay tres componentes operativos principales en un sistema de perforacin (as como en la

mayora de los dems sistemas de penetracin):

1. Perforadora (fuente)

2. Barras (transmisin)

3. Broca (aplicacin)

A estos se puede aadir un cuarto componente, el fluido de circulacin, el cual limpia el

taladro, controla el polvo, refrigera la broca y en ocasiones puede ser usado para estabilizar las

paredes del taladro. Los tres componentes principales estn relacionados con el empleo de la

energa por el sistema al atacar la roca de la siguiente manera:

1. La perforadora. Es la fuente de movimiento, la que convierte la energa de su forma

original (hidrulica, neumtica, elctrica o motor de combustin interna) en energa

mecnica que acte en el sistema.

2. Las barras. (acero de perforacin o barretones), transmiten la energa desde la fuente

hasta la broca o aplicador.

3. Broca. Es donde se aplica la energa en el sistema, ataca la roca en forma mecnica a fin de

conseguir la penetracin de esta.

En las mquinas perforadoras comerciales se ha prestado mucha atencin en la reduccin de

las prdidas de energa en la transmisin, lo que a su vez est relacionado con la desviacin de

los taladros y los pobres resultados de la voladura. Esto ha llevado a la introduccin de las

mquinas DTH (Down The Hole) ya sea del tipo percusivo o rotativo, las que reemplazan la

transmisin de energa mecnica en transmisin elctrica o hidrulica.

Un sistema de perforacin (o de cualquier tipo de penetracin) debe ejecutar

consecutivamente dos operaciones diferentes a fin de conseguir la penetracin en la roca,

estas son:

1. Fractura del material slido.

2. Limpieza de los detritus de perforacin

Ambas operaciones afectan la perforacin y su performance, pero son dos fases distintas y

separadas del proceso.

Mecnicamente hay solamente dos formas de atacar la roca, estas son rotacin y percusin;

los cuatro tipos de perforadoras discutidos a continuacin emplean estos principios o una

combinacin de ellos.


104

El conseguir que una roca se fracture durante la perforacin es cuestin de aplicar la suficiente

fuerza con una herramienta a fin de exceder la resistencia de la roca. Esta resistencia a la

penetracin de la roca es denominada ndice de perforabilidad; no es equivalente a ningn

parmetro conocido de resistencia. Ms an, el campo de tensiones creado debe ser

direccionado a fin de originar una abertura de tamao y forma deseados. Estas tensiones son

de naturaleza dinmica (dependientes del tiempo), pero se ha demostrado que en el proceso

de la perforacin se aplican tan lentamente que pueden ser consideradas como cargas

estticas. Los efectos de la tasa de carga e n la perforacin de rocas han demostrado ser poco

importantes.

MECANISMOS DE PERFORACION

Es importante hacer notar que las perforadoras rotativas son capaces de ejecutar dos mtodos

de perforacin. La mayora de las unidades opera como perforadoras rotativas puras, ya sea

con brocas tricnicas o brocas de tipo fijo. Las brocas de tipo fijo como las brocas de arrastre

no tienen partes mviles y cortan la roca mediante una accin de corte. Por lo tanto el empleo

de estas brocas est limitado a los tipos de rocas ms suaves.

La accin de cepillado o ranurado de una broca de arrastre es ejecutada por una variedad de

herramientas, incluyendo cizallas, perforadoras diamantinas, taladros sierra de cable, cadena y

rotativos. Independientemente de la geometra del artefacto, la accin de arrastre en la

superficie de corte es proporcionada por dos fuerzas: el empuje esttico (una carga esttica

que acta axialmente) y el torque (el componente de fuerza del momento rotacional, el cual

acta tangencialmente).

El mecanismo de penetracin de una broca de arrastre es el siguiente: 1) en tanto que la

superficie de corte de la broca este en contacto con la roca, se originar una deformacin

elstica, 2) la roca es triturada en la zona de elevada fatiga adyacente a la broca, 3) las

fracturas se propagan hacia la superficie a lo largo de las trayectorias de corte formando de

esta manera las astillas, 4) la broca rebota y se mueve hacia adelante a fin de entrar

nuevamente en contacto con la roca slida, desplazando as los fragmentos fracturados. Se

podra pensar que el empuje origina la indentacin y que el torque origina el corte o cepillado.

La similitud en la accin de corte de estos dos sistemas de perforacin es remarcable.

Esencialmente, bajo ataque mecnico, la roca falla alternativamente por trituracin y

astillamiento, as se est aplicando la energa por percusin o rotacin.

Otro mtodo empleado por los equipos de perforacin rotativa es la perforacin con martillos

en el fondo (DTH); en donde se emplean compresores de aire de alta presin a fin de

proporcionar aire comprimido al martillo DTH a travs de las barras de perforacin.

La fuente de aplicacin en perforacin percusiva es una herramienta de corte tipo barrena de

cincel o una broca de botones la que golpea la roca con una accin de martillo, luego rebota a

fin de golpear nuevamente la roca a lo largo de una distancia controlada, obtenida mediante la

rotacin de la broca. El torque rotacional aplicado, sin embargo, no origina ninguna


105

penetracin de la roca, ya que este es pequeo en magnitud y es operativo nicamente en el

rebote. De igual manera, el nico propsito del empuje esttico aplicado es el de mantener la

broca en contacto con la roca. Por lo tanto, la tensin efectiva en la fracturacin de la roca es

la del golpe o impacto, esencialmente en una direccin axial al elemento de corte y de una

manera pulsante.

La secuencia en la formacin del crter es la siguiente: 1) la roca es elsticamente deformada,

triturando cualquier irregularidad de la superficie de esta, 2) formacin de las principales

fracturas sub superficiales (probablemente a tensin), estas se propagan en forma radial a

partir de los lmites del elemento de corte, se origina una cua del material la cual es triturada,

3) se propagan las fracturas secundarias, presumiblemente a lo largo de las trayectorias de

corte hacia la superficie, estas forman grandes fragmentos o astillas de roca, 4) las partculas

rotas son eyectadas fuera del taladro por el rebote de la broca y la accin de limpieza de

cualquier fluido de circulacin, resultando en la formacin de un crter. La secuencia completa

se repite con cada golpe, as mismo la rotacin graduada tiende a proporcionar caras libres

adicionales, las cuales ayudan a la fracturacin de la roca e incrementan el tamao del crter.


106

Bsicamente, en tanto nos estemos refiriendo a la fracturacin de la roca, los dos mecanismos

predominantes en la perforacin percusiva son trituracin y astillado.

La principal diferencia entre la perforacin rotativa y otros mtodos es la ausencia de

percusin. En la mayora de las aplicaciones de perforacin rotativa la broca preferida es la

broca tricnica. Las brocas tricnicas trabajan mediante un aplastamiento y fragmentado de

las rocas. Esto se logra mediante la transferencia de la fuerza de empuje, conocida como

pulldown, a la broca mientras se la hace rotar a fin de desplazar las puntas de carburo en la

roca mientras los tres conos rotan alrededor de sus respectivos ejes. La rotacin es

proporcionada por un motos hidrulico o elctrico (llamado cabezal rotativo), el que se mueve

hacia arriba o abajo del castillo de perforacin mediante un sistema de alimentacin, los cuales

utilizan cables, cadenas o piones accionados mediante cilindros hidrulicos, motores

hidrulicos o motores elctricos. Atlas Copco utiliza cables ya que estos son de bajo costo y

permiten detectar las fallas ms fcilmente y evitar as graves fallas.

FACTORES QUE INFLUENCIAN LA PERFORACION


107

Se tienen varios factores, los cuales se piensa que afectan la penetracin de la roca o la

limpieza del detritus en el proceso de perforacin. Estos, a su vez, determinan en gran medida

la performance de todo equipo perforador.

Estos factores pueden ser agrupados en seis categoras:

1. Perforadora.

2. Barretn.

3. Broca

4. Fluido de circulacin

5. Dimensiones del taladro

6. Roca.

Los factores en las categoras del 1 4, componentes del mismo sistema de perforacin, son

denominados variables de diseo u operativas. Estos son dependientes (controlables) dentro

de ciertos lmites, a pesar de estar interrelacionados en algunas instancias y son seleccionados

para cumplir con los requisitos ambientales referidos en la categora 6). Aquellas variables de

mayor importancia en varios de los sistemas de perforacin son listados en la Tabla 3. 1.

Los factores de geometra del taladro de la categora 5), tamao y profundidad del taladro,

estn determinados principalmente por requisitos externos y son variables independientes

(incontrolables) en el proceso de perforacin.

Los factores ambientales de la categora 6 incluyen los siguientes:

a. Las propiedades de la roca (resistencia a la penetracin, porosidad, contenido de

humedad, densidad, etc.).

b. Condiciones geolgicas (petrologa y estructural).

c. Estado de tensiones (presin de sobrecarga y formacin de presin de lquidos, no es

importante en taladros poco profundos).

Estos a menudo son denominados factores de perforabilidad.

FACTORES OPERATIVOS

En la perforacin de los taladros intervienen principalmente dos fuerzas; la fuerza de empuje y

la fuerza de rotacin. Estas fuerzas provienen de la energa suministrada a la broca por el

barretn.

Accin de corte: La accin de corte proviene del par de fuerzas originado por la fuerza de

rotacin. Para obtener esta accin se debe proporcionar suficiente empuje a la broca para que

los elementos cortantes de esta superen la resistencia a la compresin de la roca.

Accin de empuje: La fuerza de empuje, se obtiene por el peso de las herramientas por

encima de la broca y as mismo acoplando a este peso parte del peso del equipo de

perforacin a travs de una cadena de empuje. Altas cargas de empuje originan una mayor


108

penetracin y, dentro de ciertos lmites, una mayor eficiencia en la perforacin, as como

menores costos.

CARACTERISTICAS DE LAS PERFORADORAS

La fuente de energa de una perforadora rotativa es un motor elctrico, siendo esta energa la

ms econmica para el trabajo a realizarse. La tensin suministrada al equipo es de 4.16 KW,

60 Hz. Esta energa es utilizada en lo siguiente:

Traslado del equipo.

Operacin de los pistones y ereccin del mstil.

Generar el empuje en la broca.

Rotacin de la broca.

Izaje.

Operar las compresoras.

El reparto de energa del equipo es como sigue:

Rotacin 44 - 70 HP

Traslado e izaje 22 - 43

Sistema de empuje 12

Compresoras de aire 250

Todos los dems sistemas 24

TOTAL 399 HP

En la operacin del equipo, el mismo motor suministra energa para ms de un servicio, por

ejemplo el izaje, la nivelacin o el traslado son operaciones que no se realizan

simultneamente. Seria inusual necesitar las compresoras de aire mientras se traslada o se

nivela la mquina.

SISTEMA ROTACIONAL

Los sistemas que proporcionan la energa rotativa son: el vstago de transmisin y el cabezal

rotativo. El vstago utiliza un plato giratorio movido elctricamente por el motor de rotacin.

El vstago de rotacin, conectado con el barretn desliza a travs de la abertura del plato

giratorio y rota con este.

La rotacin es fuerte y confiable, pero el vstago de transmisin debe desacoplarse cada vez

que se desee aadir un nuevo barretn. Cuando se necesita un nuevo barretn, la unidad de

propulsin es desacoplada de la columna de barretones y elevada en el mstil, para as

permitir la insercin del nuevo segmento.

En el cabezal rotativo, el movimiento es aplicado directamente a la columna de barretones por

un engranaje impulsado por un motor elctrico. Este cabezal rotativo est acoplado a la

columna de barretones y se mueve con este hacia arriba y hacia abajo sobre cadenas

montadas en el mstil.


109

Normalmente las velocidades de rotacin varan entre los 30 a 70 RPM. Estando la

perforadora diseada para un torque entre 10 a 20 pies-libra por cada 100 libras de empuje.

SISTEMA DE EMPUJE

Todas las perforadoras tienen un sistema de empuje para aplicar suficiente presin y as

fragmentar la roca con eficiencia. Las brocas usadas requieren cargas de hasta 8,000

lb/pulgada, dependiendo de la resistencia o dureza de la roca. Dado que el peso de la columna

de barretones es una pequea fraccin de esta carga, se requiere de una fuerza adicional. Este

empuje es obtenido exclusivamente por energa hidrulica aplicada a travs de cadenas y

poleas, siendo este el sistema ms comn de aplicacin de energa. Este sistema emplea un

engranaje de polea movido hidrulicamente que engrana y mueve dos cadenas continuas

acopladas a ambos lados del cabezal rotativo. Todos los sistemas de empuje utilizan el peso

del equipo de perforacin para reaccionar contra el empuje aplicado en la broca. Por lo tanto,

en la perforacin de taladros de gran dimetro se requieren de equipos de perforacin que

sean pesados; en general el equipo de perforacin es capaz de aplicar una fuerza hacia abajo

del 68% de su peso total.

La fuerza total hacia abajo que puede ser aplicada no depende nicamente del peso total del

equipo de perforacin, sino tambin de la forma en que se distribuye este peso en el equipo.


110

CARGAS EN LA BROCA Y PESO DEL EQUIPO

Bucyrus Erie

MODELO Diam. Del taladro

(Pulgadas)

Peso del Equipo

(Libras)

Carga en la broca

(Libras)

30-R

40-R

45-R

50-R

6 7 7/8 6 - 9

6 - 10 5/8

9 12

54,000

84,000

103,000

112,000

32,000

52,000

70,000

75,000

SISTEMA DE CIRCULACION

Debido a los grandes cocientes de penetracin y a una larga vida de los elementos de corte, las

perforadoras rotativas utilizan un sistema de limpieza por aire con las brocas tricnicas. La

circulacin por aire comienza en el compresor y luego a travs del cabezal rotativo hacia los

barretones, para terminar en la broca, en donde es recogido el detritus y transportado fuera

del taladro a travs del espacio anular existente entre el barretn y la pared del taladro.

Una deficiencia de aire permitir que los detritus retornen al fondo del taladro disminuyendo

as la velocidad de penetracin, as como la vida til de la broca, ya que esta debe efectuar ms

trabajo al actuar sobre los detritus que no han podido ser evacuados hasta reducirlos a un

tamao suficiente como para que la velocidad anular sea capaz de sacarlos a la superficie.

Para obtener buenos resultados el aire debe tener un volumen y velocidad adecuados. La

mnima velocidad de retorno de aire requerida para limpiar eficientemente un taladro es de

4,000 pies/min. para materiales de baja densidad y de 7,000 pies/min. para materiales densos

o para un tamao de partcula grande.

La siguiente relacin se puede utilizar para calcular la velocidad anular requerida para

transportar fuera del taladro el detritus de un determinado tamao y densidad.

Donde:

V = velocidad mnima de aire (pies/min.).

P = densidad de la roca (lb/pie3).

D = dimetro de la partcula (pies).

Aunque esta frmula es aproximada, muestra como varia la velocidad de aire con la densidad

de la roca y el tamao de la partcula. En taladros con presencia de agua la velocidad debe

incrementarse ya que las partculas tienden a aglomerarse. En todos los casos una velocidad

de 4,000 pies/minuto es considerada la mnima requerida bajo condiciones normales de

perforacin. De acuerdo a los estudios realizados en Tintaya, la velocidad anular para la

densidad y tamao de las partculas es como sigue:

Para rocas livianas: 4,000 pies/min.

Para rocas medias: 5,000 pies/min.

6.0

4.62600,54 D

P

PV


111

Para rocas densas: 7,000 pies/min.

Se deben evitar velocidades demasiado altas ya que pueden desgastar el barretn; este

desgaste ocurre a velocidades mayores a 9,000 pies/min.

Una vez regulada la velocidad de aire, el volumen de este puede ser calculado por la siguiente

frmula.

Donde:

Q = Volumen de aire requerido (CFM).

V = Velocidad mnima de aire (pies/min.).

D = Dimetro del taladro (pulgadas).

d = Dimetro externo del barretn (pulgadas).

De acuerdo a los requerimientos de aire, el volumen de este vara de la siguiente manera:

Rocas livianas (4,000 pies/min.), CFM = 4,000 * (0.126) = 504

Rocas medias (5,000 pies/min.), CFM = 5,000 * ( 0.126) = 630

Rocas duras (7,000 pies/min.), CFM = 7,000 * (0.126) = 883.11

SISTEMA DE IZAJE

El mstil est conectado en articulacin con los cilindros hidrulicos, lo que permite retraerlo

cuando sea necesario; generalmente cuando el equipo de perforacin deba trasladarse. Ya que

el centro de gravedad del equipo es bajo y los traslados por lo general son cortos; el mstil no

necesita retraerse en la mayora de los casos.

El mstil sostiene as mismo el equipo necesario para el almacenamiento y cambio de ba-

rretones, puede sostener la longitud completa del barretn, teniendo espacio suficiente para

acomodar hasta 46 pies de longitud en barretones. Los barretones, en tanto no son usados,

son sostenidos por un deck giratorio el que se encarga de acoplarlos al cabezal giratorio para

su uso.

Otro sistema soportado por el mstil es el de empuje y rotacin. Las cadenas de empuje

vienen acopladas a ambos lados del mstil; son estas cadenas las que suben y bajan el motor

de rotacin, el cual viene asentado sobre una deslizadera de avance.

126.0833.1

22 dDVQ


112


113

BROCAS

El dimetro de las brocas est determinado por el ritmo de produccin, ya que a mayor

dimetro hay mayor rendimiento productivo; emplendose las brocas tricnicas de 9 7/8".

Estas brocas estn equipadas con insertos de carburo de tungsteno. Siendo estas brocas para

formaciones duras, los insertos son pequeos y presentan poco relieve.


114

Las brocas ms utilizadas en Tintaya son las siguientes:

Hughes HH77 para terreno duro.

HH44 para terreno medio.

HR para terreno suave.

Smith M83DJ para terreno muy duro.

QAMJ para terreno medio.

Coromant CM para terreno duro.

Security H8M para terreno duro.

Secoroc MH para terreno medio.

Reed M75 para terreno duro.

De todas las brocas enumeradas, las que mejor resultado han dado son las Hughes; ya que se

han obtenido recorridos mximos de 6,000 m. y promedios de 4,000 m.

PARTES DE LA BROCA

Cortadores.

Se denominan cortadores a cada cono que contiene los insertos de carburo de tungsteno, la

geometra del cono incide directamente en la accin cortadora o indentadora. El movimiento

de la broca al momento de perforar produce una rotacin del cono en el sentido contrario al

de las agujas del reloj.

Cojinetes.

En las brocas usadas comnmente se distinguen tres tipos de cojinetes:

a) Cojinetes estndar con rodillos y bolillas.

b) Cojinetes auto-lubricados con rodillos y bolillas.

c) Cojinetes de friccin auto-lubricados.

Usualmente existe una combinacin de chumaceras, cojinetes de bolas y cojinetes de rodillos;

la disposicin de los cojinetes es cuidadosamente estudiada ya que deben soportar las

tremendas cargas en la broca.

Los cojinetes de bolas permiten mantener fijos los conos y en parte absorben la tensin del

fondo del taladro. Absorben alguna carga radial y soportan la mayor parte de la carga de

empuje, longitudinal al eje de la broca.

Los cojinetes de rodillos estn ubicados de tal manera que soportan la mayora de las cargas

radiales y estn libres de las cargas de empuje que son longitudinales al eje de la broca. De

esta manera se minimiza la fuerza que tiende a sesgar los cojinetes en su carrera.

Cuerpo de la broca

En el cuerpo de la broca se puede observar lo siguiente:


115

a) Una conexin roscada que une el trpano con la columna de barretones, esta conexin se

denomina espiga. Esta espiga es de forma cnica con la finalidad de que las roscas en el

proceso de enroscado no se roben, ya que la mayor parte de la presin es absorbida por el

cuerpo del barreno piloto.

b) Tres ejes de cojinetes donde van montados los conos (pata y faldn).

c) Los orificios a travs de los cuales circula el aire de perforacin para limpiar los detritus

del fondo y refrigerar los cojinetes. Estos orificios son llamados toberas y son

intercambiables y construidas con aceros de alta resistencia.

d) Todas las brocas tienen revestimiento de metal duro en la superficie calibradora. Este

revestimiento es usualmente de carburo de tungsteno; el cual es el doble de duro que el

cuarzo que es el mineral ms duro y abrasivo comnmente encontrado.

e) Ya que las brocas para formaciones duras requieren de mayores empujes, los cojinetes son

de mayores dimensiones, as mismo tienen los insertos ms pequeos y ms resistentes.

As mismo el espaciamiento entre estos insertos es menor.

DESGASTE DE LA BROCA

Al momento no hay una forma cuantitativa de relacionar la vida de la broca con las variables

operacionales, por lo tanto nos remitiremos a los reportes para determinar la vida media de la

broca. Se sabe que el mnimo recorrido que debe tener una broca Hughes es de 2,500 m. ya

que con este mnimo se estara compensando el precio de la misma. El promedio de vida de

estas brocas es de 4,000 m. y el mximo de 6,000 m.

Cuando un diente de la hilera exterior o calibradora se rompe.

Aumenta la carga sobre los dems, generalmente este caso se traduce en la rotura completa

de los dientes calibradores. Esto ocurre generalmente por la oblicuidad de los empates de los

barretones o mal uso de los parmetros de perforacin. Porque en una operacin normal los

dientes que sufren baja son los del medio y los de la nariz de la estructura de corte.

Broca con dientes rotos.

Significa un desgaste prematuro, en estos casos podra ser aconsejable una broca para terreno

ms duro, debido a que el grado de penetracin disminuye con la rotura de los insertos. Otra

recomendacin es disminuir el Pulldown y aumentar las revoluciones, medida que disminuir

la productividad de la perforadora al disminuir el coeficiente de penetracin

Carcasa de los insertos muy desgastada.

En este caso el trpano o broca se encuentra descentrado, lo que ocurre por deficiencia

operativa, generalmente una falla en el estabilizador. Otra de las causas es una carga excesiva

sobre la broca. Para remediar una perforacin excntrica:

Aumentar ligeramente la presin sobre la broca.

Emplear un tipo de broca para formaciones blandas.

Si se est perforando con agua incrementar el caudal.


116

Incrementar el caudal de aire

Prdida masiva de los insertos del medio, nariz y con el fondo rastrillado.

Si el cojinete se encuentra en buenas condiciones significa que la broca se ha embolado, lo que

se produce por: Excesiva carga sobre la broca; insuficiente caudal de barrido en el fondo del

taladro.

Se ha observado ocasionalmente que este tipo de desgaste se ha originado al pasar por

formaciones de caliza metamorfoseadas que es un terreno de comportamiento muy

anisotrpico y generalmente plstico. En estos casos es recomendable: Disminuir la presin

sobre la broca; aumentar el caudal del fluido limpiador.

Desgaste en el cuerpo de la broca.

Si se observa un desgaste del faldn con uniformidad o un desgaste del cuerpo de la broca. Es

necesario verificar el dimetro nominal, lo que se puede realizar con un anillo de bronce y un

flexmetro, en caso de que la broca haya perdido 1/5 de dimetro es recomendable rellenar

los faldones con soldadura para recuperar el dimetro. Una excesiva prdida de dimetro

nominal dejar al descubierto los cojinetes.

Algunas de las medidas para evitar desgastes prematuros:

Emplear brocas para formaciones duras con un mnimo de excentricidad.

Emplear trpanos con insertos de carburo de Tungsteno.

Reducir la velocidad de rotacin.

Emplear estabilizadores de escasa holgura con respecto al dimetro nominal del taladro.

Si las brocas se encuentran en buenas condiciones en su estructura de corte se hace el

relleno con soldadura resistente (Cromadas a manera de refuerzo). Generalmente los

faldones recorren 600 m. antes de que sea necesario soldarlos.

Rotura completa del faldn con cojinete y cono.

Ocurre al retardar bruscamente la velocidad de rotacin. Puede ocurrir tambin que la broca

se encuentre cargada de material como consecuencia del derrumbe parcial de la pared del

taladro.

Para juzgar el desgaste de los cojinetes se deben hacer girar los conos, una vez que estos estn

limpios y si se observan conos flojos, esto es ndice de que los cojinetes estn gastados.

Juzgando el movimiento de los bordes internos y externos del cono o el movimiento a lo largo

del eje de soporte indicar cul de los cojinetes se est desgastando ms rpidamente. Se

debe considerar que los cojinetes se desgastan con mayor rapidez hacia el final de su vida til.

Finalmente y para aumentar la vida til de las brocas, a continuacin se recomiendan los

diferentes empujes para los dimetros de broca.


117

TOBERAS

Una vez conocidos los requerimientos de aire, se debe considerar otro parmetro de la

circulacin de este, la cada de presin a travs de la broca a fin de asegurar la refrigeracin de

los cojinetes.

Para asegurar un barrido adecuado del fondo del taladro, as como una buena performance de

los cojinetes, las toberas de aire deben ser seleccionadas para dar la mayor cada de presin

posible a travs de la broca, consistente con una buena prctica de perforacin. Se requiere de

una contrapresin para forzar el 30% del aire a travs de los cojinetes, a menos que estn

siendo usados cojinetes sellados. Una cada de 30 psi es considerada aceptable, pero con

mayores cadas de presin se obtendr una mejor limpieza. Para obtener esta cada de presin

se encuentran en el mercado varios dimetros de toberas o casquillos reductores.

Para encontrar el dimetro adecuado se procede de la siguiente manera: El monto de aire que

pasar a travs de una sola tobera puede ser aproximado por la frmula de S.A. Moss:

X = 5.0

5303.0

t

aCP

X descarga de aire en lb/seg.

a rea del orifico en pulgadas.

C coeficiente de flujo (0.8)

P presin total ascendente psia

t temperatura ascendente en F

x puede convertirse a cfm empleando la densidad del aire (0.0749 lb/pie3 a nivel del mar). El

volumen de flujo a travs de una tobera ser entonces:

Qt = 60 X/0.0749 Qt = 801 X

Qt = 801 0.5303 a 0.8 P 3.460.5

Qt = 18.27 a P

Qt = 18.27 a (p -10 + 14.7)


118

DATOS DE TOBERAS

CFM por tobera Presin manomtrica del compresor PSI

D n2 A 40 50 65 90 100

5/16 3/8 1 3/32 7/16 9/16 5/8 13/16 7/8 1 1 1/8 1 1 3/8 1 2 2 1/8 2

0.098 0.141 0.165 0.192 0.250 0.317 0.391 0.563 0.660 0.766 1.000 1.266 1.563 1.891 2.250 4.000 4.516 5.060

0.077 0.110 0.130 0.151 0.196 0.249 0.307 0.442 0.518 0.601 0.785 0.994 1.227 1.485 1.767 3.142 3.547 3.972

72 103 121 140 183 232 286 412 483 560 731 926

1143 1383 1645 2924 3302 3700

88 126 148 172 224 284 350 504 591 685 895

1133 1399 1692 2013 3579 4041 4528

140 201 236 274 357 453 559 804 943

1094 1429 1809 2233 2702 3215 5715 6453 7230

152 218 256 297 389 492 606 872

1023 1187 1549 1961 2421 2930 3486 6197 6996 7839

168 242 283 329 428 543 670 964

1130 1312 1713 2168 2677 3239 3854 6851 7735 8667

D = Dimetro de broca en pulgadas A = Area de la tobera en pulgadas

2

Qt = 14.35 n2 (p + 4.7)

Pero Qt = 0.7 Qb

0.7 Qb = 14.35 n2 (p + 4.7)

Qb = 14.35 n2 (p + 4.7) 0.7

n2 = )7.4(5.61 p

Qb

El anterior resultado es aplicado para tres toberas:

Qt volume de aire libre a travs de la tobera (cfm)

Qb Volumen de aire libre a travs de la broca (cfm)

P Presin manomtrica del compresor (psig)

n Dimetro de la tobera (pulgadas)

El dimetro requerido de tobera para nuestro ejemplo es de 0.34 pulgadas. Ya que en el

mercado no es posible encontrar el tamao exacto debemos seleccionar el tamao mas

aproximado para lo cual empleamos la anterior tabla. En nuestro caso, la tobera que mejor se

adapta a nuestros requerimientos es la de 9/16


119

BARRETONES

Cuando se utiliza la circulacin de aire, la prctica generalizada es utilizar el barretn de mayor

dimetro posible para reducir el espacio anular entre las paredes del taladro y el dimetro

externo del barretn, lo que incrementa la velocidad de retorno de aire; ya que de esta

manera el volumen de aire del compresor puede mantenerse bajo lmites razonables.

El desgaste mximo que pueden sufrir los barretones antes de ser descartados es de 0.2

pulgadas. Los barretones utilizados tienen un dimetro interno suficientemente amplio como

para permitir el paso del aire de limpieza y refrigeracin; y un espesor de 0.750 pulgadas que

es lo suficientemente grueso como para resistir el torque y el empuje. El barretn es 1.25

pulgadas ms pequeo que el dimetro del taladro, mayores dimetros originaran que el

barretn se atore en el taladro. La longitud de los barretones es de 32 pies. En la siguiente

Tabla se consignan algunas de las caractersticas de los barretones ms utilizados en minera

superficial

DIMENSIONES DE LOS BARRETONES

Dimetro externo Pulgadas

Espesor Pulgadas

Juntura API Pulgadas

Peso/Pie Libras

2 7/8 3 4

4 5

5 6

6 7

8 5/8 10

0.281 0.254 0.330 0.337 0.362 0.415 0.500 0.500 0.751 0.750 1.000

3 1/8 IF 3 7/8 REG 3 IF 3 REG 4 FH 4 REG 4 FH 4 REG 5 REG 6 5/8 REG 6 5/8 REG

7 8 10 12 12 17 17 19 20 21 25 26 31 32 34 41 54 56 60 75

130 - 140

ESTABILIZADOR

Se utiliza un estabilizador justo encima de la broca y otro en la parte superior de la columna de

perforacin, su objetivo es mantener la perpendicular del taladro consiguindose as una

perforacin ms suave. El estabilizador, actuando como gua, fuerza a la broca a girar sobre su

propio centro, utilizando de esta manera la energa de la forma ms eficiente.

El estabilizador es confeccionando soldando piezas de fierro rectangulares cada 90 grados y a

lo largo del eje de una pequea seccin de barretn de 76 cm. de longitud, las aletas del

estabilizador son 1/8 de pulgada mayor que el dimetro del mismo. La eficiencia del

estabilizador depende de su proximidad a la pared del taladro. Una excentricidad de los

elementos del estabilizador ocurre debido al desgaste de este y es un detrimento a la

performance de la perforacin, as como a la vida del barretn y de la broca. Generalmente


120

estos estabilizadores deben ser controlados peridicamente para en caso de estar

descentrados ser enviados al taller para soldarles nuevas piezas.

Este tipo de estabilizador es de muy bajo costo y es as mismo importante en la adecuada

transmisin del empuje y la torsin a la broca que de otra manera no serian los adecuados,

gastando prematuramente la broca y doblando los barretones.

ACOPLE O ADAPTADOR

Es el elemento que une el cabezal rotativo con la columna de barretones, y est encargado de

la transmisin de la energa de rotacin desde el cabezal a la columna o tren de barretones. La

superficie de estras y roscas debe ser muy resistente al desgaste, por consiguiente se le

somete a un proceso de carbonizacin que aporta esa resistencia superficial.

PARAMETROS DE PERFORACION

Es imposible establecer parmetros fijos para la carga sobre la broca y la velocidad de rotacin

en cada caso de perforacin; cada taladro requerir de una adecuada combinacin de estas

variables, lo que redunda en la vida de la broca y en los costos de perforacin. An dentro de

un mismo taladro se requiere cambiar los valores de estas variables operativas, para adecuarse

al cambio en las condiciones del terreno; al atravesar diferentes estratos o formaciones. Una

adecuada combinacin de estas variables es el resultado de una efectiva aplicacin del criterio

y experiencia del perforista.


121

Sin embargo y a manera informativa se har una somera descripcin de la influencia de estas

variables en la performance de la perforacin.

PESO SOBRE LA BROCA

La carga ejercida sobre las brocas vara directamente con el dimetro de esta y la resistencia

de la roca e inversamente con la velocidad rotacional. Una excesiva carga sobre la broca

ocasionar que los barrenos se doblen y que la broca se desgaste con rapidez, se conoce que

se esta aplicando la carga adecuada cuando no hay excesivas vibraciones en las cadenas de

empuje, barretones y en general en todo el equipo de perforacin. Las cargas aplicadas varan

entre 20,000 y 53,000 Lb.

VELOCIDAD DE ROTACION

En tanto incrementan la carga sobre la broca y la resistencia de la roca, se debe disminuir la

velocidad de rotacin, ya que en caso de aumentar dicha velocidad o an de mantenerla, se

producir una ms rpida penetracin pero a expensas de la vida de la broca ya que la

velocidad anular no podr limpiar eficientemente el fondo del taladro. Sin embargo cuando se

trata de brocas con un ligero desgaste, es recomendable un ligero incremento en la velocidad

de rotacin.

Ya que se ha demostrado que para brocas con ligero desgaste, un incremento en la velocidad

de rotacin aumentar la penetracin sin aumentar la tasa de desgaste de la broca. La

velocidad ptima deber estimarse para cada taladro, estando usualmente entre 40-60 RPM;

siendo de 50 RPM la velocidad promedio empleada. Velocidades menores al promedio son

utilizadas para iniciar un taladro o en zonas de dificultad en la perforacin ya sea por su dureza

o por su variabilidad. Una velocidad de 60 RPM se emplear en zonas suaves y de fcil

perforacin.

En trminos generales se puede indicar que, a mayor dureza de la roca, es recomendable

utilizar un mayor empuje y una menor velocidad de rotacin. As mismo, a menor dureza de la

roca se utilizar una mayor velocidad de rotacin y menor empuje.

DIMESIONAMIENTO DE EQUIPOS

Definida la vida til de la mina y el movimiento de materiales a realizar durante ese tiempo, se

tiene determinado el ritmo de explotacin de la mina y con ello el rendimiento exigido por las

labores, por lo tanto se tiene el punto de partida para la determinacin de las actividades a

realizar con dicho rendimiento.

En el caso de la perforacin se tiene que disear la malla de perforacin, la cual podr estar

definida globalmente, cuando no se discriminen sectores especficos de la explotacin, o podr

definirse una malla especfica para cada caso existente (mineral, estril, sectores conflictivos,

precorte, bancos dobles, etc.). Sobre la base del tipo de roca a perforar se ha determinado el

tipo de perforacin ms adecuada.


122

Independientemente de la situacin, se necesita definir:

Dimetro del talado.

Burden.

Espaciamiento entre taladros.

Disposicin espacial relativa de los taladros.

Angulo de inclinacin de los taladros.

Longitud de los taladros (altura de banco + sobre perforacin).

Definido el dimetro del taladro, deber determinarse (bajo criterios tericos y/o empricos) el

burden y espaciamiento. Adems se debe determinar la disposicin espacial de los taladros,

con lo cual quedar definida la malla de perforacin.

Una vez definido todo lo anterior, ms la longitud del taladro, se podr determinar el tonelaje

a mover involucrado en la operacin de perforacin, siendo:

Td = Tonelaje a remover por cada disparo (toneladas).

B = Burden (metros).

E = Espaciamiento (metros).

H = Altura de bancos (metros).

S = Sobre-perforacin (metros).

= Densidad de la roca (toneladas/m3).

Tmt = Tonelaje a remover por metro de taladro (toneladas).

Tap = Tonelaje a remover por rea perforada.

T = Tonelaje total por periodo.

Se tiene que:

Td = B E H

Con lo que se pueden obtener los siguientes ndices:

Tmt = Td (H + S) (ton/mp).

Tap = Td (B + E) (ton/m2)

Con lo que se puede tener una aproximacin de:

Numero de disparos necesarios por perodo, a fin de cumplir con el programa de

explotacin de la mina (taladros): Nt = T/Td (taladros)

Metros perforados, requeridos por perodo, para cumplir con el ritmo de explotacin

de la mina (metros perforados): Mpp = T/Tmp.

Area sometida a perforacin por periodo: Asp = T/Tap (m2)

Para calcular el rendimiento de un equipo de perforacin se deber determinar:

DFp = Disponibilidad fsica del equipo de perforacin (%).


123

UTp = Utilizacin del equipo de perforacin (%).

FOp = Factor operacional del equipo de perforacin (%).

FR = Factor de roca (%), el que castiga la velocidad de perforacin en funcin de la

dificultad operacional que impone la roca.

TDp = Turnos a trabajar por da de perforacin (turnos por da).

HTp = Horas trabajadas por turno en perforacin (horas).

VP = Velocidad de perforacin instantnea del equipo (mp/hora), determinada por

catlogo.

Con estos datos se procede al clculo del rendimiento del equipo de la siguiente manera:

Velocidad real de perforacin: VPr = VP FR DFp UTp FOp 10-8 (mp/h)

Rendimiento por turno: MpT = VP HTp (mp/turno)

Rendimiento por da: MpD = MpT TDp (mp/da)

Definiendo los das trabajados en perforacin como DPp, se tiene que el nmero de equipos

requeridos para cumplir con la produccin es:

Nro Equipos = MpT / (MpD DPp)

Resultado con el cual se realizar el anlisis que permita definir el nmero de equipos para la

operacin (lo que incluye a los equipos de reserva). Dependiendo del equipo a utilizar, se

deber realizar el dimensionamiento de equipos auxiliares de perforacin necesarios

(compresores, remolcadores, grupos electrgenos, etc.).0

Superficial III - Perforación

Documents

Transcript of Superficial III - Perforación