Teoria de la Perforación

TEORÍA DE LA PERFORACIÓN

PERFORACIÓN

Ins2tuto Profesional de Chile Técnico Superior en Minería – Ingeniería en Minas

Sede República Carolina Abarca Z 13 Abril 2016

Introducción

Perforación consiste en la concentración de una gran cantidad de energía alojada en una pequeña superficie de alguna formación natural (roca) o artificial, con el objeto de vencer la resistencia a la separación de sus componentes y, así en su interior crear una cavidad que posea la distribución y geometría adecuada dentro de los macizos. Es importante por ser la primera operación dentro del ciclo de operación mina y la cavidad donde serán alojadas las cargas explosivas y accesorios de iniciación. Los sistemas de penetración de roca que han sido desarrollados y clasificados por orden de aplicación corresponen a :

3

Per

fora

ción

Mecánicos

Térmicos

Hidráulicos

Sónicos

Químicos

Nucleares

Introducción

Introducción

A pesar de la enorme variedad de sistemas posibles de penetración de roca, en minería y obra pública la perforación se realiza actualmente utilizando energía mecánica. Por este motivo, en este curso sólo se tratarán los métodos mecánicos, pasando por sus fundamentos, aceros y equipos de perforación de cada uno de ellos. Los componentes principales de un sistema de perforación de este tipo son: •  Perforadora, la fuente de energía mecánica. •  Varillaje, medio de transmisión de esa energía. •  Broca o bit, útil que ejerce sobre la roca dicha energía. •  Fluido de barrido, efectúa la limpieza y evacuación del detrito

producido.

Obje2vo General: Conocer el sistema de perforación en minería.

Obje2vos Específicos: •  Conocer los distintos tipos de perforación, de acuerdo a

diferentes ámbitos de clasificación. •  Comprender la teoría en la que se basa la perforación. •  Aprender cómo lograr mayor eficiencia en esta operación. •  Diferenciar las ventajas y desventajas entre perforadoras

accionadas por diferentes sistemas.

Obje2vos

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Tipología de la Perforación

Perforación manual Se lleva a cabo con equipos ligeros, manejados a mano por los perforistas. Se u9liza en trabajos de pequeña envergadura donde, por las dimensiones de las labores, no es posible u9lizar otras máquinas o no está jus9ficado económicamente su empleo.

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Perforación mecanizada Los equipos de perforación van montados sobre estructuras, de 9po mecano, con las que el operador consigue controlar todos los parámetros de la perforación desde unas posiciones cómodas. Estas estructuras o chasis pueden ir montadas sobre neumá9cos u orugas.

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Tipología de la Perforación Perforación de banqueo: Perforaciones ver9cales o inclinadas empleadas generalmente en open pit y para algunos métodos de explotación subterránea.

Perforación de avance de galerías y túneles: Perforaciones preferentemente horizontales llevadas a cabo en forma manual o en forma mecanizada (jumbos).

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Perforación de producción

Término u9lizado en las explotaciones mineras con trabajos de extracción de mineral. Los equipos y métodos varían según el sistema de explotación.

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Perforación de chimeneas

Labores ver9cales muy u9lizadas en minería subterránea y obras civiles. Se u9lizan métodos de perforación especiales, entre los cuales destacan el método Raise Boring y la jaula trepadora Alimak.

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Perforación con recubrimiento:

U9lizado en materiales poco consolidados, en perforación de pozos de captación de aguas y perforaciones submarinas.

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Sostenimiento de rocas

U9lizado para la colocación de pernos de anclaje en labores subterráneas principalmente.

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Rota2vos Se subdividen en dos grupos, según la penetración se realice, por trituración (triconos) o por corte (brocas especiales). El primer sistema se aplica en rocas de dureza media a alta y el segundo en rocas blandas.


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Rotopercu2vos Muy u9lizados en labores subterráneas y trabajos menores en minería a cielo abierto (precorte), tanto si el mar9llo se sitúa en cabeza o en el fondo del barreno.


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Percusión Impactos producidos por los golpes del pistón originan ondas de choque que se transmiten a la broca a través del varillaje.

Rotación Con este movimiento se hace girar la broca para que los impactos se produzcan sobre la roca en dis9ntas posiciones.

Teoría General de la Perforación

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Empuje Para mantener en contacto la broca con la roca.

Barrido Fluido de barrido que permite extraer el detrito del fondo de la perforación.

Teoría General de la Perforación

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La energía con la cual el equipo perfora la roca puede ser producida neumá9ca (aire comprimido) o hidráulicamente (aceite).

Mediante compresores o bombas introducen al sistema un caudal (aire o aceite, respec9vamente) que genera una alta presión.

Esta presión se descarga sobre el pistón delantero del equipo, el que golpea al adaptador de la culata.

La energía ciné9ca del pistón se convierte en una onda de tensión que viaja a lo largo de la barra hasta la roca.

Sistemas Mecánicos -‐ Accionamiento

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Sistemas Mecánicos -‐ Accionamiento

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La onda 9ene forma rectangular y una longitud dos veces mayor que la del pistón.

Su altura depende de la velocidad del pistón al momento de impactar la roca.

Está relacionada con el área del pistón y el acero de perforación.

Sistemas Mecánicos – Onda de Choque

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La vida ú9l del acero de un equipo hidráulico es más larga que la de un equipo neumá9co, debido a que en el úl9mo, la tensión del pistón es mayor.

El pistón neumá9co 9ene una sección más grande y necesita una presión más baja (6 a 8 bar).

El pistón hidráulico es más delgado y, por ello, entrega una tensión más baja al acero. Además, la presión que ejerce es mayor (150 a 250 bar).


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Pistón Perforadora Presión

1 Neumá9ca 8 bar

2 Hidráulica 120 bar

3 Hidráulica 200 bar

Los pistones del ejemplo son del mismo peso y velocidad de impacto (velocidad que el pistón golpea el adaptador).

La tensión en el acero producido por los pistones, señala que la tensión más baja (amplitud de la onda de choque) se ob9ene con el pistón delgado largo.


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El accionamiento hidráulico presenta las siguientes ventajas al compararse con la neumá9ca:

Mayor precisión con menor perdida de potencia.

Menor costo de accesorios de perforación (pistones más largos y de

menor sección)

Mayor velocidad de perforación

Emite menos ruido.


•  Las ondas de choque se descargan al contacto con la roca.

•  Algo de la energía es reflejada y regresa en forma de onda de reflexión.

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La onda pierde aproximadamente 6 a 10% por cada acoplamiento en su barra a lo largo del 9ro.

Ésta perdida es debido a la diferencia entre el área de las barras y coplas, ya que el ajuste entre ellas nunca es perfecta.

Cuando la onda alcanza finalmente el bit, nunca alcanza el 100% de eficiencia.

Sistemas Mecánicos – Eficiencia

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•  Parámetros no adecuados para el 9po de roca. •  Unión de barra con coplas. •  Falta de presión de avance.

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Parámetros de control para reducir pérdidas de energía.

• Barrido óp9mo. • Aceros en buen estado. • Sincronismo en los parámetros de perforación.


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Roto-Percusión

Martillo en Cabeza (OTH)

Hidráulicas Neumáticas

Martillo de Fondo (DTH)

Hidráulicas

Sistemas Mecánicos – Roto-‐Percusión

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• La herramienta perfora la roca mediante impactos sucesivos de alta frecuencia y gran energía.

• Entre golpe y golpe la herramienta gira, para evitar que se atasque o en9erre, puesto que golpea una nueva superficie.

Roto -‐ Percusión

Sistemas Mecánicos – Roto Percusión

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• El equipo roto-‐percu9vo u9liza el principio de golpear con un broca, empujando y girando, para que se produzca la rotura de la roca en pequeños fragmentos (detritus) que se limpian y forman el 9ro.

Roto -‐ Percusión


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Ciclo de trabajo


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1. Barrido

Descripción Obje9vo 1. Limpiar el fondo del 9ro para el próximo

golpe. 2. Evacuar el detritus fuera del 9ro.

Incorrecto 1. Mayor consumo de energía. 2. Atasco de barra. 3. Desgaste prematuro de varilla.


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1. Barrido

Factores

• Gravedad específica: Mientras mayor sea la densidad de la parfcula, mayor debe ser la velocidad del barrido.

• Tamaño de la parfcula: Las parfculas más grandes deben tener una velocidad de barrido más alta.

• Forma de la parfcula.


•  La velocidad del aire en el 9ro para una roca de densidad 2,0 ton/m³, debe ser de 10 m/seg (mínimo).

•  Una mina de hierro con una densidad de 4,0 ton/m³, necesita un soplado de 25 a 30 m/seg en el 9ro.

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1.1 Barrido con Aire (Soplado)


•  El agua 9ene una mejor capacidad de levantamiento de parfculas que el aire.

•  Es necesario una velocidad de 0,5 m/seg en el área anular, bastante más baja en relación al aire.

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1.2. Barrido con Agua


•  En 9ros largos ascendentes, se 9ene una presión de carga de 1 bar por cada 10 metros, y esta presión de carga debe ser superada por la velocidad del barrido, el cual, debe ser aproximadamente de 0,5 m/seg.

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1.2. Barrido con Agua


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2. Presión de Percusión

En roca dura y con un buen contacto, se puede u9lizar al máximo la energía de la onda de choque.

Si el bit golpea el aire, la energía no puede descargarse en el 9ro, por lo que invierte su dirección y vuelve atrás.


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•  Sólo en rocas suficientemente duras es posible u9lizar la energía al máximo por golpe.

•  Con rocas muy suaves, la presión de percusión debe ser menor, para que entregue la can9dad de energía justa que la roca pueda alojar.


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La transmisión de la energía ciné9ca varía según:

• El sistema OTH, lo hace en forma de onda de choque, a través del varillaje, cuando llega al bit se transforma en trabajo para penetrar la roca.

• El sistema DTH, la transmisión es directa al bit.


Comentarios

Es importante señalar que todos los sistemas de perforación utilizan la misma estructura: perforadora, varillaje, broca o bit y fluido de barrido. Si una de estas partes funciona mal, bajará la eficiencia de los aceros, afectando la calidad del tiro. Los aceros de perforación deben estar bien acoplados, para evitar su pandeo y así un futuro rompimiento. Además de evitar pérdidas de energía. El caudal para el barrido dependerá del tipo de material perforado.

Bibliogra]a

1. “Perforación y Voladura”. Autor Lopez Jimeno. 2. https://prezi.com/ohee1ddskakx/maquinaria-y-equipos-de-perforacion/

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