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mecanica de rocaTRANSCRIPT
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Mecnica de rocas Unidad 08 Pgina n 1
Unidad 8
Mquinas perforadoras para arranque con explosivos
1.- Introduccin:
En las obras de ingeniera, tanto minera como civil, se precisa de la realizacin continua de
perforaciones de un determinado dimetro, ya sea para trabajos de explotacin de minas, para la
excavacin de desmontes, en explotacin e investigacin, en sostenimientos, para drenajes, etc...
Debido a ello, las tcnicas de perforacin vienen siendo estudiadas de una forma continua y
exhaustiva, encontrndose numerosos sistemas de perforacin, an a escala de laboratorio o en un
campo, muy reducido, del sector industrial.
Entre todas las tcnicas de perforacin existentes, en este captulo nos centraremos con detalle en
los sistemas que son de aplicacin ms frecuente, dentro de la operacin conjunta de ejecutar una
excavacin mediante perforacin y voladuras controladas.
2.- Tcnicas de perforacin
Dentro de las tcnicas de excavacin de las rocas por voladuras controladas, la operacin inicial
de perforacin tiene como objetivo, abrir unos huecos de tipo cilndrico en el terreno, denominados
barrenos, conforme a un esquema geomtrico dado, donde despus se alojarn las cargas de
explosivos y sus accesorios iniciadores.
Dentro de la amplia variedad de los trabajos de excavacin con explosivos, se han desarrollado
una gran nmero de mquinas que dan lugar a dos procedimientos de perforacin:
- Perforacin manual: Se lleva a cabo con equipos ligeros, manejados a mano por perforistas. Se
utiliza en trabajos de pequea envergadura donde por las dimensiones no es posible utilizar otras
mquinas o no est justificado econmicamente su empleo.
- Perforacin mecanizada. Los equipos de perforacin van montados sobre una estructura, de tipo
mecano, con las que el operador consigue controlar todos los parmetros de la perforacin, desde
unas posiciones cmodas. Estas estructuras o chasis pueden ir montadas sobre neumticos y orugas
y ser automotrices o remolcables.
Por otro lado, los tipos de trabajo, tanto en obras de superficie como subterrneas, pueden
clasificarse en los siguientes grupos:
A.- Perforacin de banqueo: Es el mejor mtodo para la voladura de rocas ya que se dispone de
un frente libre para la salida y proyeccin del material y permite una sistematizacin de las labores.
Se utiliza tanto en proyectos de cielo abierto e interior con barrenos verticales, generalmente, y
tambin horizontales, en algunos casos poco frecuentes.
B.- Perforacin de avance de galera y tneles: Se necesita abrir un hueco inicial o cuele hacia el
que sale el resto de la roca fragmentada por las dems cargas. La perforacin de los barrenos se
puede llevar a cabo manualmente, pero la tendencia es hacia la mecanizacin total con el empleo de
jumbos de uno o varios brazos.
C.- Perforacin de produccin: Este trmino se utiliza en las explotaciones mineras,
fundamentalmente subterrneas, para aquellas labores de extraccin del mineral. Los equipos y los
mtodos varan segn los sistemas de explotacin, siendo un factor comn el reducido espacio
disponible en las galeras para efectuar los barrenos.
D.- Perforacin de chimenea: En muchos proyectos subterrneos de minera y obra pblica es
preciso abrir chimeneas. Aunque existe una tendencia hacia la aplicacin del mtodo Raise Boring,
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Mineral Dureza
Talco 1
Yeso 2
Calcita 3
Fluorita 4
Apatita 5
Ortosa 6
Cuarzo 7
Topacio 8
Corindn 9
Diamante 10
an hoy se utiliza el mtodo de barrenos largos y otros sistemas especiales de perforacin
combinados con las voladuras.
E.- Perforacin de rocas con recubrimiento: La perforacin de macizos rocosos sobre los que
yacen lechos de materiales sin consolidar obligan a utilizar mtodos especiales de perforacin con
entubado. Tambin se emplean en los trabajos de perforacin y voladuras submarinas.
F.- Sostenimiento de rocas: En muchas obras subterrneas y algunas a cielo abierto es necesario
realizar el sostenimiento de las rocas mediante el bulonado o cementado de cables, siendo la
perforacin la fase previa en tales trabajos.
Actualmente las tcnicas de perforacin en roca estn agrupadas en:
A) Mtodos rotopercutivos (o percutivos) donde son utilizados unidades de perforacin con:
A.1) Martillo en cabeza o
A.2) Martillo en fondo.
B) Mtodos rotativos, donde segn el tipo de penetracin en la roca que se desee, puede optarse
por:
B.1) La perforacin rotativa con tricono o
B.2) La perforacin por corte.
Estos sistemas permiten acometer los distintos tipos de trabajos que pueden darse en las obras:
perforacin de recubrimientos, de desmontes, de zanjas, de tneles y de galeras, de chimeneas y
pozos, etc... Tanto la perforacin por percusin como en la
perforacin rotativa con tricono o herramienta de corte, la roca
se rompe como consecuencia de la presin que se ejerce sobre la
misma a travs de un botn o una plaquita de un material ms
duro. La eleccin del material para su engaste en los tiles de
perforacin viene justificada por su dureza en la escala de Mohs.
Se entiende por dureza la resistencia de una capa superficial a la
penetracin en ella de otro cuerpo ms duro. En una roca es
funcin de la dureza y composicin de los granos minerales
constituyentes, de la porosidad de la roca, del grado de humedad, etc..
La dureza de las rocas es el principal tipo de resistencia a superar
durante la perforacin, pues cuando se logra la penetracin del til el
resto de las acciones se desarrollan ms fcilmente.
Las rocas se clasifican en cuanto a su dureza por medio de la
escala de Mohs, en la que se valora la posibilidad que un mineral pueda rayar a todos los que tienen un nmero inferior al suyo.
Tal como se refleja en la tabla, existe una cierta correlacin entre
la dureza y la resistencia a la compresin de las rocas.
Resistencia a la
Clasificacin Dureza Mohs compresin [MPa]
Muy dura >7 >200
Dura 6 - 7 120 - 200
Medio dura 4,5 - 6 60 - 120
Medio blanda 3 - 4,5 30 - 60
Blanda 2 - 3 10 - 30
Muy blanda 1 - 2 < 10 Sin embargo, esta clasificacin deja mucho que desear y ha sido revisado por Wooddell. Ha
desarrollado la escala de dureza de Mohs, que caracteriza cada cuerpo, por la profundidad relativa
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Boart 10,00
Ballas de Brasil 9,99
Diamantes Amarillo 9,96
congo blanco 9,95
verde palo 9,89
Carbonos 9,82
Carburo de boro 9,32
Carburo de silicio negro 9,15
carburo de silicio gris 9,13
Carburo de Wolframio (13%) - prismas 9,09
Almina sinttica (3,14 % de TiO) 9,06
Almina sinttica 9,03
Corindn cristalizado en Africa 9,00
Cuarzo 7,00
Board pardo de Africa del sur 42.4
Ballas de Amrica del Sur 42.0
Diamante amarillo del Congo 41.0
Diamante incoloro y transparente del Congo 40.7
Diamante gris y opaco del Congo 38.7
Carbono de Amrica del Sur 36,4
Carburo de boro 19.7
Carbono de silicio negro 14.0
Carbono de silicio verde 13.4
Carbono de volframio (13% de Co) 12.0
Almina fundida (3.14% de TiO) 11.0
Almina fundida pura 10.0
Corindn cristalizado 9.0
Cuarzo 7.0
de una raya hecha en el mismo por partculas de una misma materia ms dura que l. Lleg a los
resultados siguientes para los cuerpos ms duros que el cuarzo:
Este mismo autor, normalizando el modo de trabajar usualmente los diamantes, ha propuesto
otra escala basada en el poder abrasivo de un polvo calibrado y ensayado en las mismas condiciones
de empleo. Asignando los nmeros 7 y 9 al cuarzo y al corindn respectivamente, ha llegado a la
clasificacin siguiente:
En la roca se origina un esfuerzo alrededor de la zona de contacto entre la plaquita o el botn y
la roca de perforacin y dicho esfuerzo aumenta a medida que aumenta la carga sobre la roca. El
material que circunda a esta zona se convierte en un polvo fino y se fractura la zona que est en
contacto con el til de perforacin. Si el til de perforacin posee un ngulo de ataque con la roca
adecuado entonces el esfuerzo aumentar gradualmente hasta que se rompe la roca y se deshace en
pequeos pedazos o esquirlas. La sobrecarga sobre el til de perforacin en contacto con la roca
disminuye y desaparece el contacto entre la roca y el til cortante de perforacin. Ahora bien, si
existe un empuje contnuo y uniforme, entonces el til estar en contnuo contacto con la roca y el
proceso se repite nuevamente originndose as la penetracin en la roca. La figura muestra el
proceso de rotura durante una onda de choque.
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Util de pruebas afilado Util de pruebas con desgaste Util de pruebas romo
Proceso de trituracin
Si el elemento de corte pierde su ngulo de ataque como consecuencia de su desgaste entonces
es necesario aumentar el empuje para obtener el avance adecuado. No obstante llega un momento
en que el proceso de rotura desaparece aunque el empuje sobre el elemento cortante se aumente.
Cuando se alcanza esta fase es necesario que el elemento en contacto con la roca sea nuevamente
afilado
En 1923 Osram descubri un metal cuya dureza solamente la sobrepasa el diamante. Krupp
compr la patente y llam al nuevo producto Widia (wie diamant = como el diamante).
La widia, que representa una gran dureza y una gran resistencia al desgaste, se fabrica
mezclando polvo de volframio y negro de humo. El carburo de volframio que se obtiene se une con
cobalto y se pasa por un molino de bolas. Finalmente, esta mezcla se funde bajo una alta presin y
despus se cementa en atmsfera reductora a 1400-1500 C. Esta operacin, que viene acompaada
de una reduccin de un 40% es la que produce la widia, que no se puede perforar ni templar. La
resistencia a la compresin de este material es de 10.000 Kg/cm y a la flexin de 16.000 a 20.000
Kg/cm; contrariamente, su resistencia al choque es bastante baja aunque no despreciable. La dureza
y tenacidad dependen del tanto por ciento de cobalto empleado en la fabricacin. La widia que se
emplea en las perforaciones contiene 10% de cobalto y la mxima dureza se obtiene con un 6% de
cobalto, corresponde a 1800 unidades Brinell (el acero ms duro tiene 600). En la escala de Mohs la
widia est comprendida entre 9 y 9.2. El calor no influye en su dureza hasta los 600 C, pero, sin
embargo, conviene no pasar de los 200 C. Su coeficiente de dilatacin lineal es la mitad del que
presenta el acero.
La forma ptima del corte se determina siempre experimentalmente para cada roca o mquina
determinada. En efecto, depende de numerosas variables, cuya intervencin es difcil hacer
independiente a priori. Las consideraciones que se exponen a continuacin dan una idea de la complejidad del problema:
Angulos de arranque, de ataque y Diferentes velocidades del corte
de inclinacin de una arista cortante. de una corona de widia (vista en perspectiva)
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Un corte M de corona, que supondremos puntual, para simplificar, est animado de un
movimiento de rotacin y un movimiento de traslacin a. Su velocidad absoluta V depende, por tanto, del dimetro del pozo, de la velocidad de rotacin de la mquina y de la velocidad de avance,
es decir, de la dureza de la roca y de la forma ms o menos bien lograda del filo. Se ver adems, en
el plano del tringulo de velocidades que para un ngulo de corte dado, los ngulos de ataque y de
arranque no son constantes, sino que dependen de las mismas variables que la velocidad absoluta V
del punto M. Si en vez de ser puntual, el filo llega hasta el eje de rotacin de las herramientas de
perforacin, habr que limitarlo por unas superficies alabeadas para conservar los mismos ngulos
de corte, de ataque y de arranque. Afortunadamente las coronas de los sondeos no estn en este
caso, aunque sean gruesas; pero los trpanos de lminas si deben responder a esta condicin.
Por el contrario, las necesidades de fabricacin de las coronas imponen el paralelismo entre los
ejes del prisma y el eje de perforacin. La arista MN del borde cortante es tambin paralela al
vector que representa la velocidad de avance. Para que sta sea grande, con un ngulo de ataque
positivo, hace falta que el ngulo de corte sea muy agudo. No se puede llevar esto demasiado lejos,
salvo en el caso de los terrenos blandos, si se quiere que el filo conserve una cierta resistencia al
choque. La nica solucin es aumentar la velocidad de rotacin para disminuir el ngulo de
arranque; como contrapartida, el ngulo de ataque es positivo.
Tringulo de velocidades de una arista cortante Influencia de la velocidad de rotacin sobre el
ngulo de arranque de una arista cortante.
Inversamente para una velocidad de
rotacin y un ngulo de corte (o de ataque)
dados, existe un avance mximo del que no se
puede pasar. Por consiguiente, ser delicado
emplear mquinas de avance automtico, ya
que la nica variable que subsiste es el ngulo
de corte del filo cuyo valor cambia segn la
naturaleza de la roca atravesada.
Influencia del ngulo de ataque sobre la velocidad de
avance en unas calizas (Soletanche)
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Influencia de la velocidad de rotacin sobre la velocidad
de avance en una caliza (Soletanche)
Resulta evidente que si la velocidad de avance es
despreciable en relacin con la velocidad perifrica de
la corona, las conclusiones precedentes pierden
importancia. El aumento de la velocidad de la
mquina puede simplificar el problema en ciertos
casos. Influencia de la presin sobre la corona en la
velocidad de avance en una caliza (Soletanche)
Los ensayos efectuados en una caliza sin fracturas demuestran que el avance aumenta con la
velocidad de rotacin, aunque no proporcionalmente y que es proporcional al peso de la corona.
Tambin se manifiesta una influencia sensible del ngulo de ataque de los prismas, pero los ensayos
no son lo bastante numerosos como para deducir una ley. Adems, la longitud que se puede perforar
sin reafilado, hasta que el avance instantneo final sea igual a la mitad del avance inicial, disminuye
con la velocidad de rotacin, y con la presin sobre la corona.
Variacin del rendimiento con la velocidad de rotacin Variacin del rendimiento con la presin sobre la corona
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Esta disminucin del rendimiento con la velocidad se explica por la modificacin que sufren los
ngulos de ataque y de arranque de los prismas, en los que el ngulo de corte permanece constante.
Los avances que se logran en estas calizas no son, por consiguiente, despreciables ante las
velocidades empleadas que, sin embargo, son elevadas para una sonda: 500 a 900 r.p.m. ( 55 mm).
En el granito, tambin sin fracturas, la presin sobre la corona tiene una influencia mucho menor
que en el caso de la caliza anteriormente ensayada. En estos ensayos se observa que, a medida que
el avance se hace menor y que los prismas se desgastan, el ripio se hace ms fino, convirtindose
los granos y laminillas muy sensibles al tacto en harina absolutamente impalpable.
Por consiguiente, estamos en presencia de dos fenmenos: inicialmente los prismas arrancan los
granos de la roca hacindoles saltar; posteriormente los rompen por rozamiento mutuo.
A causa de la presencia de granos de cuarzo, este desgaste se manifiesta tambin sobre los
prismas, que necesariamente pierden su filo.
a) avance por rotura y despegue b) avance por desgaste
Modo de trabajar las aristas cortantes en granito
Los avances que se pueden lograr en el granito estn representados en la figura siguiente a) en el
caso de una corona normal y b) en el de una especial.
(a)
: ngulo de inclinacin (b) c: Corona C
Avance y rendimiento en un granito con dos coronas diferentes
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En sta, los prismas exteriores tienen su superficie de soporte inclinada hacia el interior,
mientras que los prismas interiores la tienen inclinada hacia el exterior. A pesar del gran aumento
del rendimiento resultante, no se emplean en la prctica las coronas de este tipo; sus dientes son
frgiles y se corre el riesgo que se rompan con facilidad en una roca fisurada.
Desde muy antiguo se vienen estudiando las propiedades fsicas de las rocas, en un contnuo
intento de determinar cuales son las que suministran una mayor informacin para el momento de
elegir un mtodo de arranque adecuado.
No existe ningn ensayo de laboratorio que pueda reproducir, ni siquiera en forma aproximada,
el mecanismo de rotura de la roca bajo la accin de un til de acero. Por otra parte, las muestras de
laboratorio tropiezan a la hora de su ensayo con el problema de la escala de los trabajos, y sus
resultados slo pueden ser extrapolados en determinadas condiciones.
Sin embargo, la labor de realizar ensayos es imprescindible y con ello se busca obtener los
valores aproximados de las propiedades fundamentales de resistencia mecnica, abrasividad,
tenacidad, dureza, cementacin, densidad y porosidad.
Adems de los parmetros de caracterizacin del macizo rocoso, anteriormente expuestos, deben
citarse otros factores relativos al tipo de roca, que van a condicionar en algn caso la maquinaria a
utilizar, como son la untuosidad o pegajosidad de los materiales, homogeneidad,la capacidad del
terreno, etc..
Las dos caractersticas ms importantes son la
resistencia y la abrasividad. En captulos anteriores
ya se vi como se caracteriza la resistencia, ya sea a
compresin simple o traccin.
Respecto a la abrasividad, es la propiedad que
caracteriza la capacidad de la roca para desgastar
unos determinados materiales, utilizados como tiles
de arranque. El mineral ms abrasivo ms abundante
en las rocas es el slice (SiO2). Su contenido dentro
de la roca est en relacin directa con la abrasividad.
Una de las formas de determinar la abrasividad es mediante el coeficiente de Schinmacek
definido mediante la expresin:
donde:
F = coeficiente de desgaste de Schinmacek [Kgf/cm]
Q = porcentaje en volumen de minerales abrasivos
m = Dimetro medio del grano [cm]
t = Resistencia a traccin de la roca [Kgf/cm]
A partir de este coeficiente de desgaste, se
determina la rozabilidad de las rocas, expresada en
m/h segn el cuadro:
Los factores que elevan la capacidad abrasiva de las rocas son los siguientes:
Tipo de roca % de SiO2
Arenisca silcea 98
Otras areniscas 80-95
Arcosas 70-80
Granito 70
Grauwaca, Granodiorita 98
Pizarra, Sienitas 50-65
Basalto, Gabros 50
Arcillas 40
Caliza, Dolomas 2-10
Clasificacin de las rocas
segn su contenido de slice
Coeficiente
de desgaste Calificacin m/h
F[Kgf/cm]
0,2 - 0,3 Muy buena 45 - 65
0,3 - 0,4 Buena 30 - 45
0,4 - 0,5 Moderada 20 - 30
0,5 - 0,6 Regular 15 - 20
0,6 - 0,8 Mala 10 - 15
0,8 - 1,0 Muy mala 6 - 10
tmQF
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- La dureza de los granos constituyentes de la roca. Las rocas que continene granos de cuarzo
son sumamente abrasivas
- La forma de los granos. Los ms angulosos son ms abrasivos que los redondeados.
- El tamao de los granos.
- La porosidad de la roca. Da lugar a superficies de contacto rugosas con concentraciones de
tensiones locales.
- La heterogeneidad. Las rocas poliminerales, aunque estos tengan igual dureza, son ms
abrasivas, pues van dejando superficies speras con presencia de granos duros, por ejemplo, los
granos de cuarzo en un granito.
Esta propiedad influye
mucho en la vida de los tiles
de perforacin. En la tabla se
indican algunos contenidos
medios de diferentes tipos de
rocas.
Tambin, mediante el ensayo de Cerchar, recomendado por la Sociedad Internacional de
Mecnica de Rocas, es posible obtener los valores de un ndice, que clasifica a los diversos tipos de
roca:
La abrasividad Cerchar es medida por el dimetro del
semiplano producido por el frotamiento sobre una
distancia de 1 cm sobre la roca, de una broca de acero
aplicada con un peso de 7 Kg:
Otra forma de determinar la
abrasividad de las rocas es con el
valor de abrasividad LCPC: Una
paleta de acero horizontal es
arrastrada en rotacin por un eje
vertical en el medio abrasivo
constitudo de granulares 4/6.3mm
contenidos en un bols.
Tipo Contenido en Tipo Contenido en
de roca cuarzo [%] de roca cuarzo [%]
Anfibolita 0 - 5 Mica neis 0 - 30
Anartosita 0 Mica esquisto 0 - 30
Diabasa 0 - 5 Norita 0
Diorita 10 - 20 Pegmatita 15 - 30
gabro 0 Filita 10 - 25
Neis 15 - 50 Cuarcita 60 - 100
Granito 20 - 35 Arenisca 25 - 90
Grauwaca 10 - 25 Pizarra 10 - 35
Caliza 0 - 5 Pizarra grano fino 0 - 20
Mrmol 0 Taconita 0 - 10
Clasificacin Indice de Cerchar Tipo de roca
Extremadamente abrasiva > 4,5 Gneis, pegmatita, granito.
Altamente abrasiva 4,25 - 4,5 Anfibolita, granito.
Abrasiva 4,0 - 4,25 Granito, gneis, esquistos,
piroxenita, arenisca.
Moderadamente abrasiva. 3,5 - 4,0 Arenisca.
Abrasividad media. 2,5 - 3,5 Gneis, granito, dolerita.
Poco abrasiva. 1,2 - 2,5 Arenisca Portland.
Muy poco abrasiva. < 1,2 Caliza.
0,3 - 0,5 muy poco abrasiva
0,5 - 1,0 poco abrasiva
1,0 medianamente abrasiva
1,0 - 2,0 abrasiva
2,0 - 4,0 muy abrasiva
4,0 - 6,0 extremadamente abrasiva
6,0 - 7,0 cuarzo
Coeficiente de abrasividad Descripcin de
Clase ABR g/t la abrasividad
ABR 1 < 500 muy bajo
ABR 2 500 - 1000 bajo
ABR 3 1000 - 1500 medio
ABR 4 1500 - 2000 fuerte
ABR 5 > 2000 muy fuerte
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Otras formas de determinar la resistencia a la perforacin de la roca mediante ensayos de
laboratorio son:
- Indice de perforabilidad (D.R.I.)
El ndice de D.R.I. (Drilling Rate Index) fue desarrollado en 1979, en la Universidad de
Tronheim (Noruega), siendo necesario para su obtencin una muestra de roca de 15 a 20 Kg con la
que se realizan las siguientes pruebas:
* Ensayos de friabilidad
Una fraccin representativa de 500 g
de muestra troceada entre 11.2 y 16 mm,
se somete a veinte impactos sucesivos de
una pesa de 14 kg que se deja caer desde
una altura de 25 cm.
Se repite el proceso 3 o 4 veces y se
toma el valor medio del porcentaje de
muestra menor de 11.2 mm, denominando
al valor obtenido S20.
* Ensayos de perforabilidad
Con una broca de 8.5 mm de dimetro y
110 de ngulo de bisel, sometida a un
empuje sobre la roca de 20 Kg y
hacindola girar 280 revoluciones, se
efectan de 4 a 8 perforaciones en cada
probeta. La longitud media de los taladros
expresada en dcima de milmetro
constituye el llamado valor Sj.
El Indice de Perforabilidad D.R.I. de la roca en cuestin se determina a partir de los valores
S20 y Sj mediante el baco siguiente:
Abaco de clculo del D.R.I.
Como puede observarse el D.R.I. coincide con el valor de la friabilidad S20 cuando Sj
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es igual a 10, que corresponde a rocas como los granitos o la sienitas cuarcticas.
En la tabla siguiente se recoge, para diferentes tipos de rocas, una equivalencia aproximada entre
la resistencia a la compresin, los ndices de dureza Mohs y Vickers, y el Indice de perforabilidad
D.R.I.
No obstante, se ha de tener en cuenta que una roca bajo una misma denominacin litolgica
puede presentar distintas caractersticas de dureza. Por ello, los ndices ah reflejados son
meramente orientativos.
El coeficiente de Protodjakonov es otro ensayo muy utilizado, con numerosas aplicaciones en el
campo de arranque, tanto por mtodos directos como de perforacin y voladura. Este es un ensayo
de degradacin dinmica, en el cual se ha comprobado que existe una alta dependencia entre el
Indice de Protodjakonov y la resistencia a la compresin simple, que se establece con la expresin:
10f cp
, siendo c la resistencia a la compresin en MPa
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La tabla siguiente resume la clasificacin realizada por Protodjakonov.
- Indice de perforabilidad Ip Este ensayo se realiza actualmente en la E.T.S de Ingenieros de Minas de Madrid y trata de
reproducir el fenmeno real de rotopercusin mediante el empleo de una taladradora elctrica que
se desliza sobre un bastidor ejerciendo un empuje constante sobre la roca a estudiar.
Las muestras, con el tamao de un puo, se prepara pulimentando una superficie plana y a
continuacin se introducen en una cazoleta con yeso para su sujecin, dejando la cara plana paralela
a la base.
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La broca empleada tiene un dimetro de 9.5 mm y con ella se hacen 3 o 4 taladros durante 3 o 5
segundos, que se controlan con un temporizador elctrico. El polvo producido durante la
perforacin se elimina soplando con aire comprimido.
Una vez ensayadas las muestras se mide con una sonda micromtrica la longitud de cada taladro
obteniendo el valor medio de las mismas. A continuacin, el Indice de penetracin Ip se calcula como la velocidad de penetracin expresada en pulgadas por minuto.
- Microbit Est destinado a mquinas rotativas con tricono. Se basa en la perforacin de la probeta con una
microboca de 1" (32 mm) de dimetro sometida a un peso de 200lb y 60 r/min. Cada ensayo
consiste en la perforacin de un taladro de 3/32" (0.8 mm). Despus de cada perforacin la boca se
calibra y se controla el desgaste.
- Indenter test Tambin para mquinas rotativas con tricono. Se utiliza un diente de carburo de tungsteno de
forma semiesfrica que se aplica sobre la muestra con presiones crecientes e incrementos de 500 lb,
hasta un mximo de 5000 - 6000 lb, determinndose el denominado esfuerzo umbral Eu.
Un sistema de perforacin consta de los elementos principales:
1. La perforadora que puede ser manual o mecanizada.
2. Los motores generadores de energa.
3. El varillaje por el que se transmite el impulso mecnico.
4. El til, herramienta o boca que rompe la roca.
5. El fludo de barrido de detritus.
6. El sistema de captacin de polvo.
Y como criterios
selectivos de los equipos de
perforacin hay que sealar:
A) Los factores de tipo
econmico.
B) Los de adaptabilidad
y eficacia de los equipos a las
condiciones de trabajo.
C) Los de
mantenimiento y servicio de
los equipos de perforacin en
la propia obra.
Los mtodos de
perforacin en todas sus
modalidades han
evolucionado tcnicamente,
de tal forma que se ha pasado
en un corto espacio de tiempo
de la perforacin normal a la
perforacin con equipo
autnomo de elevado
rendimiento y operatividad.
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3.- Requerimientos a la ejecucin de los barrenos
La correcta ejecucin de los barrenos, esencial para lograr los
objetivos, por cualquier sistema de perforacin va a estar
caracterizada fundamentalmente por cuatro factores:
- El dimetro del barreno
- la longitud o profundidad
- El desvo de la perforacin
- La estabilidad del barreno
3.1 Dimetro del barreno
Debe determinarse un dimetro, de
acuerdo con los equipos de perforacin
disponibles y los explosivos a utilizar, para
obtener los costos ms favorables en el
conjunto de la operacin de excavacin.
El valor de este parmetro deber decidirse
en combinacin con el esquema geomtrico
de los barrenos, a efectos de tener una
fragmentacin adecuada para los equipos de
carga, transporte y trituracin, en el caso de
existir esta ltima.
3.2 Longitud o profundidad del barreno
Factor que se encuentra directamente
relacionado con el diseo previsto para la
excavacin, ya sea en la modalidad de cielo
abierto o en subterrnea.
El tamao del equipo de perforacin (perforadora, carro, compresor y barras) tiende a aumentar
con la profundidad del barreno.
3.3 Desvo
Para que los resultados de la operacin de voladura sean los esperados, es esencial que los
barrenos estn rectos y alineados.
Debe mantenerse el mnimo grado de desvo con la utilizacin de barras de perforacin rgidas y
son factores bsicos: la precisin de emboquillado, la fuerza de avance, la compatibilidad entre la
barra y la boca y los diversos dispositivos de gua.
3.4 Estabilidad del barreno
Las paredes del barreno debern permanecer sin derrumbes ni desprendimientos locales, el
tiempo previsto, hasta la operacin de carga del explosivo.
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Este factor est condicionado por las caractersticas geolgicas de la roca a perforar, as como
por la existencia de agua en el macizo.
Una seleccin correcta de las herramientas de perforacin puede contribuir a mejorar la
estabilidad de los barrenos.
4.- Equipos de perforacin a cielo abierto.
Los equipos de perforacin que pueden utilizarse segn los tipos de trabajo a desarrollar y el
intervalo de dimetros de aplicacin ms frecuente se resumen en el cuadro 8.1
Atendiendo a la Resistencia a Compresin de las rocas y al dimetro de perforacin se puede
delimitar los campos de aplicacin de los diferentes mtodos tal como se refleja en la figura:
-
Mecnica de rocas Unidad 08 Pgina n 16
Por otro lado, segn el tipo de trabajo que se realice en minera y obra pblica de superficie los
equipos que ms se utilizan y dimetros ms comunes para las voladuras en banco se recogen en el
cuadro 8.2.
Martillo Martillo Trituracin Con herramienta
en cabeza en fondo con tricono de corte.
27 - 127 mm 76 - 216 mm
(1" - 5") (3" - 8, 5")
Obras en
construccin 80 - 200 mm 80 - 200 mm
89 - 127 mm 76 - 216 mm 80 - 440 mm 80 - 251 mm
(3,5 - 5") (3" - 8, 5") (3,125" - 17") (3,125" - 9, 875")
Minera a
Cielo abierto
Perforacin rotopercutiva Perforacin rotativa
Cuadro 8.2 - Mtodos de perforacin ms frecuentes en trabajos a cielo abierto.
5.- Equipos de perforacin de tneles y galeras.
Los equipos de perforacin que normalmente son utilizados en los trabajos de excavacin de
galeras, tneles, chimeneas y otras labores suberrneas de acceso, son recogidos en el cuadro 8.3.
En la misma, tambin se indican: los tipos de boca, y los dimetros de barreno, la profundidad de
ste y los rendimientos estimados tanto del equipo de perforacin como de la operacin conjunta de
excavacin.
6 - La perforacin a rotopercusin.
El principio de perforacin de estos equipos se basa en el impacto de una pieza llamada pistn,
sobre un til, que a su vez transmite la energa al fondo del barreno, por medio de un elemento
denominado boca.
Dependiendo del lugar donde est instalado el martillo, los equipos rotopercutivos se agrupan
en:
- Perforadoras con martillo en cabeza, que a su vez pueden ser de accionamiento neumtico o
hidrulico. En estas perforadoras dos de las acciones bsicas, rotacin y percusin, se producen
fuera del barreno, transmitindose a travs de una espiga y del varillaje hasta la boca de perforacin.
- Perforadoras con martillo en fondo, donde la accin del pistn se lleva a cabo de una forma
neumtica y la accin de rotacin puede ser del tipo hidrulico como neumtico. La percusin se
-
Mecnica de rocas Unidad 08 Pgina n 17
Mtodo de explotacin
Tcnicas
de Explotacin
perforacin por galera.
y
voladura Perforacin Perforacin
Banqueo Banqueo Perforacin Perforacin ascendente ascendente
horizontal. vertical vertical horizontal. vertical. horizontal
Equipo de
perforacin Jumbo para Vagn Martillo Martillo Vagn Jumbo para
aplicable. la perforacin sobre manual sobre manual con perforador la perforacin
de galera. orugas. columnas. empujador. ligero. de galera.
Datos de perforacin.
Tipo de boca
Dimetro de barreno [mm] 38 - 49 54 - 76 29 - 33 29 - 33 33 - 38 38 - 48
Profundidad de barreno [m] 3,0 - 5,5 segn requiera. 2,0 - 2,5 2,0 - 3,5 3,0 - 4,0 3,0 - 4,0
Rendimiento del equipo
de perforacin [m/h]
con martillo neumtico. 60 - 75 15 - 25 8 - 12 10 - 15 20 - 40 60 - 70
con martillo hidrulico. 90 - 110 25 - 35 90 - 110
Perforacin ms voladura.
Rendimiento en metro
cbico de roca por metro
lineal perforado. 1,5 - 2,0 3,0 - 4,0 0,7 - 0,9 0,7 - 0,9 0,9 - 1,2 1,0 - 1,4
Mtodo Hundimiento
de explotacin por subniveles
Tcnicas
de
perforacin
y Perforacin
voladura en abanico.
Equipos Unidad Unidad
de compuesta de para la Unidad de
parforacin. barra y brazo perforacin perforacin
de perforacin. en abanico. circular.
Datos de
perforacin.
Tipo de boca
Dimetro de barreno [mm] 48 - 51 48 - 51 (64) 105 - 115 152 - 165 48 - 51 (64)
Profundidad de barreno [m] 15 - 20 15 - 25 50 - 60 50 - 60 12 - 15
Rendimiento del equipo
de perforacin [m/h]
con martillo neumtico. 50 - 60 100 - 120 50 50 200 - 240
con martillo hidrulico. 120 - 180
Perforacin ms voladura.
Rendimiento en metro
cbico de roca por metro
lineal perforado. 1,5 - 2,5 1,5 - 2,5 8 - 10 14 - 18 1,0 - 2,3
circular o en abanico paralelos
Vagn sobre orugas
con martillo en fondo
de pozo alta presin.
galeras y tneles (Atlas Copco).
Subniveles con Subniveles con
barrenos en abanico. barrenos paralelos
Perforacin Barrenos
Cmaras y pilares Corte y relleno. Cmara almacn.
Cuadro 8.3 - Equipos de perforacin en trabajos de
galera y tneles (Atlas Copco).
Cuadro 8.3 - Equipos de perforacin en trabajos de
-
Mecnica de rocas Unidad 08 Pgina n 18
realiza directamente sobre la boca de perforacin, mientras que la rotacin se efecta en el exterior
del barreno.
En los martillos manuales, la rotacin se transmite a travs del buje de rotacin del martillo y es
accionada por el propio mecanismo del pistn, en funcin de los impactos: a menor nmero de
impactos, debe corresponder un menor par de rotacin. En los equipos de perforacin pesados, la
rotacin es accionada a travs de un motor independiente, lo que permite actuar bien sobre la
percusin, segn las condiciones del terreno.
Las acciones bsicas que tienen lugar sobre el sistema de transmisin de energa hasta la boca de
perforacin son cuatro y con carcter repetitivo:
- La percusin, donde los impactos producidos por los golpes del pistn originan unas ondas de
choque que se transmiten a la boca a travs del varillaje .
- La rotacin, con la que se hace girar la boca para cambiar la zona de impacto.
- El empuje, para mantener en contacto la roca con la boca.
- El barrido, donde un fludo permite extraer el detritus del fondo del barreno.
Nivel de esfuerzos sobre la barra de transmisin.
El proceso de formacin de las indentaciones, con el que se consigue el avance en este sistema
de perforacin, se divide en cinco instantes, tal como se refleja en la figura:
Fases de formacin de un indentacin (Hartman, 1959)
a) Aplastamiento de las rugosidades de la roca por contacto con el til o herramienta.
-
Mecnica de rocas Unidad 08 Pgina n 19
b) Aparicin de grietas radiales a partir de los puntos de concentracin de tensiones y formacin
de una cua en forma de V.
c) pulverizacin de la roca de la cua por aplastamiento.
d) Desgajamiento de fragmentos mayores en las zonas adyacentes a la cua.
e) Evacuacin del detrito por el fludo de barrido.
Percusin:
La energa cintica Ec del pistn se transmite desde el martillo hasta la boca de perforacin, a travs del varillaje, en forma de onda de choque. El desplazamiento de esta onda se realiza a alta
velocidad y su forma depende fundamentalmente del diseo del pistn.
Cuando la onda de choque alcanza la boca de perforacin, una parte de la energa se
transforma en trabajo haciendo penetrar el til y el resto se refleja y retrocede a travs del varillaje.
La eficiencia de esta transmisin es difcil de evaluar, pues depende de muchos factores tales como:
el tipo de roca, la forma y dimensin del pistn, las caractersticas del varillaje, el diseo de la boca,
etc... Adems, hay que tener en cuenta que en los puntos de unin de las varillas por medio de
manguitos existen prdidas de energa por reflexiones y rozamientos que se transforman en calor y
desgaste en las roscas. En la primera unin las prdidas oscilan entre el 8 y 10% de la energa de
choque.
En los martillos de fondo la energa del pistn se transmite directamente sobre la boca, por lo
que el rendimiento es mayor. En estos sistemas de perforacin la potencia de percusin es el
parmetro que ms influye en la velocidad de penetracin.
La energa liberada por golpe en un martillo puede estimarse a partir de cualquiera de las
expresiones siguientes:
WIApEovm2
1E ppmc
2ppc
siendo:
mp = Masa del pistn.
vp = Velocidad mxima del pistn
pm = Presin del fludo de trabajo (aceite o aire) dentro del cilindro.
Ap = Superficie de la cara del pistn.
Ip = Carrera del pistn.
En la mayora de los martillos hidrulicos los fabricantes facilitan el valor de la energa de
impacto, pero no sucede lo mismo para los martillos neumticos. Especial cuidado debe tomarse en
este caso al estimar pm, ya que dentro del cilindro sta es de un 30 a un 40 % menor que en el compresor, debido a las prdidas de carga y expansin del aire al desplazarse el pistn.
La potencia de un martillo es pues la energa por golpe multiplicada por la frecuencia de
impactos ng:
pp
pm
g
p
ppm
pg
p
ppm
pmI
ApKn
m
2IApIn
m
2IApv
pgppgp InvInet
ev
-
Mecnica de rocas Unidad 08 Pgina n 20
El mecanismo de percusin consume de un 80 a 85% de la potencia total del equipo.
Rotacin:
La rotacin, que hace girar la boca entre impactos sucesivos, tiene como misin hacer que sta
acte sobre puntos distintos de la roca en el fondo del barreno. En cada tipo de roca existe una
velocidad ptima de rotacin para la cual se producen los detritus de mayor tamao al aprovechar la
superficie libre del hueco que se crea en cada impacto.
Cuando se perfora con bocas de pastillas las velocidades de rotacin ms usuales oscilan entre
80 y 150 r/min con unos ngulos de indentacin de 10 a 20. En el caso de bocas de botones de 51
a 89 mm las velocidades deben ser ms bajas, entre 40 y 60 r/min, que proporcionan ngulos de
giro entre 5 y 7. Las bocas de mayor dimetro requieren velocidades incluso inferiores.
Velocidades de rotacin para bocas de pastillas y botones
Empuje:
La energa generada por el mecanismo de impactos del martillo debe transmitirse a la roca, por
lo que es necesario que la boca se encuentre en contacto permanente con el fondo del barreno. Esto
se consigue con la fuerza de empuje suministrada por un motor o cilindro de avance, que debe
adecuarse al tipo de roca y boca de perforacin.
Un empuje insuficiente tiene los siguientes aspectos negativos:
- reduce la velocidad de penetracin,
- produce un mayor desgaste de varillas y manguitos,
- aumenta la prdida de apriete del varillaje y el calentamiento del mismo.
Por el contrario, si el empuje es excesivo:
- disminuye tambin la velocidad de perforacin,
- dificulta el desenroscado del varillaje,
- aumenta el desgaste de las bocas, el par de rotacin y las vibraciones del equipo,
- aumenta la desviacin de los barrenos.
Al igual que sucede con la rotacin, esta variable no influye en forma decisiva sobre las
velocidades de penetracin:
2
1
p
2
1
p2
3
pm
ppm
pp
pm
gc
m
IApKPMIAp
mI
ApKPMnEPM
-
Mecnica de rocas Unidad 08 Pgina n 21
Influencia del empuje sobre la velocidad de penetracin
Barrido:
Para que la perforacin resulte eficaz, es necesario que el fondo de los barrenos se mantenga
constantemente limpio evacundose el detritus justo despus de su formacin. Si esto no se realiza,
se consumir una gran cantidad de energa en la trituracin de esas partculas, lo que se traduce en
desgastes de herramientas y accesorios y disminucin de rendimientos, adems del riesgo de
atascamientos.
El barrido de los barrenos se realiza con un fludo como el aire, el
agua o la espuma, que se inyecta a presin hacia el fondo del barreno, a
travs de un orificio central del varillaje y de unas aberturas practicadas
en las bocas de perforacin.
Las partculas se evacan por el hueco anular comprendido entre el
varillaje y la pared de los barrenos.
El barrido con aire, normalmente se utiliza en trabajos a cielo abierto,
donde el polvo producido puede eliminarse por medio de captadores.
El barrido con agua es el sistema ms utilizado en perforacin
subterrnea, que sirve adems, para suprimir el polvo. Supone
generalmente una prdida de rendimiento del orden del 10% al 20%
respecto al aire.
La espuma como agente de barrido se emplea como complemento al
aire, pues ayuda a la elevacin de partculas gruesas hasta la superficie y ejerce un efecto de sellado
sobre las paredes de los barrenos, cuando son perforados materiales sueltos.
Las velocidades ascensoriales para una limpieza eficiente con aire oscilan entre los 15 y 30 m/s.
Las velocidades mnimas pueden estimarse, en cada caso, mediante la expresin:
donde:
Va = velocidad ascensional (m/s)
r = densidad de la roca (g/cm) dp = dimetro de las partculas (mm)
El caudal que debe suministrar el compresor puede evaluarse mediante:
donde:
Qa = caudal (m3/min)
27.1
dDv
4
d
4
DvAv
t
QqAtvAeQ
22a
22
aaa
aa
6.0p
r
ra d
155.9V
-
Mecnica de rocas Unidad 08 Pgina n 22
D = dimetro del barreno (m)
d = dimetro de las varillas (m)
va = velocidad ascensional (m/min)
Cuando se emplea agua para el barrido, la velocidad ascensional debe estar comprendida entre
0.4 y 1 m/s. En estos casos, las presiones estn limitadas entre 0.7 y 1 MPa para evitar que dicho
fludo entre en el martillo.
En caso del aire, con martillos en cabeza, no es frecuente disponer de un compresor de presin
superior nicamente para el barrido. Slo en el caso de los martillos en fondo se utilizan
compresores de alta presin (1-1.7 MPa) porque adems de servir para evacuar el detritus aumenta
la potencia de percusin.
Un factor que es preciso tener en cuenta para estimar el caudal de barrido es el de las prdidas de
carga que se producen por las estrechas conducciones que debe atravesar el fludo (aguja de barrido,
orificio de las varillas) y a lo largo de la sarta de perforacin.
A mayor velocidad de penetracin, se necesita un mayor volumen de barrido, que puede
conseguirse con:
- unos mayores orificios de barrido
- un aumento de la presin del fludo
Un barrido insuficiente es causa de:
- un mayor riesgo de atranques
- una menor penetracin y
- un mayor desgaste de la boca Empaquetadura de culata
Cuando se utiliza barrido por agua, si se quiere obtener una eficiente capacidad del mismo, hay
que observar una serie de normas tales como:
- si se utilizan barrenas integrales, estas deben llevar una adecuada empaquetadura, de lo contrario
habr grandes prdidas de agua y disminuir el efecto de lubricacin del buje, as mismo habr
riesgos de congelamiento y otros problemas.
- los adaptadores deben siempre llevar empaquetadura, si la presin de agua es muy elevada es muy
normal cambiar las empaquetaduras antes que el adaptador llegue a gastarse.
Empaquetadura de culata de manguito
Barrido independiente
- se recomienda la utilizacin de barrido independiente si la presin de agua es muy elevada ya que
sera necesario cambiar continuamente de empaquetaduras. El barrido independiente quiere decir
que el agua llega al adaptador por la parte exterior de la perforadora por lo que se mantienen libre
de riesgos las partes internas de la misma. Las perforadoras que tienen una elevada capacidad de
perforacin, tienen barrido independiente.
En rocas fisuradas, el barrido puede desaparecer y por lo tanto el operador debe estar atento para
disminuir la energa de impacto cuando el barrido caiga. En este caso el varillaje debe moverse
arriba y abajo para conseguir que las fisuras se rellenen con el propio detritus.
-
Mecnica de rocas Unidad 08 Pgina n 23
En la tabla se indican las velocidades de barrido, cuando se perfora con martillo en cabeza, en
funcin del caudal de aire que proporciona el compresor y dimetro del varillaje.
3,2 5,2 6,5 6,5 9,3 9,3 9,3 9,3
Dimetro de varilla. 32 38 38 45 45 51 87 100
[mm] del manguito. 45 55 55 61 61 72 - -
del orificio de barrido. 12 14 14 17 17 21 61 76
43 - - - - - - -
22 42 52 - - - - -
15 25 32 37 50 - - -
- 17 21 24 27 36 - -
- - 15 17 22 24 68 -
- - - 12 17 18 34 69
- - - - 13 15 19 34
- - - - - - 16 21
- - - - - - - 15
115 mm (4,5")
127 mm (5")
Caudal [m/min]
Velocidad del aire de barrido [m/s]Dimetro del barreno
51 mm (2")
140 mm (5,5")
152 mm (6")
64 mm (2,5")
76 mm (3")
89 mm (3,5")
102 mm (4")
Como ventaja de la perforacin rotopercutiva se sealan:
- Su aplicacin a rocas de gran variacin en la resistencia a la compresin simple.
- La amplia disponibilidad de dimetros.
- Los equipos son verstiles, pues se adaptan bien a diferentes trabajos y tienen gran movilidad.
- Necesitan un solo hombre para su manejo y operacin.
- El mantenimiento de los equipos resulta rpido y accesible.
- El costo de adquisicin no es elevado.
6.1.- Perforacin con martillo en cabeza.
La perforacin a rotopercusin con martillo en cabeza es el sistema ms clsico de perforacin
de barrenos en la forma mecanizada que conocemos hoy da. El principio de corte de la roca se
produce debido al impacto en el exterior de un elemento de acero (pistn) que golpea a una barrena,
que a su vez transmite la energa al fondo del barreno por medio de un elemento final (boca) cuyo
objetivo es romper en esquirlas la roca.
Debido a la forma de esta herramienta final (plaquita o botn), es preciso para cortar en seccin
circular la roca, proceder al giro de aquella herramienta y asimismo, es necesario evacuar fuera del
fondo del barreno los pequeos trozos de roca que se van generando (barrido).
Una parte de la energa del impacto, se pierde en
cada una de las juntas del sistema de transmisin y
en los cambios de seccin del varillaje. Por tanto, la
velocidad de penetracin directamente relacionada
con esta energa, ir disminuyendo conforme
aumenta la profundiad del barreno.
Acciones bsicas
6.1.1.- Perforadoras neumticas
-
Mecnica de rocas Unidad 08 Pgina n 24
Las perforadoras neumticas, funcionan con la misma presin para el mecanismo de impacto que
para el aire de barrido, siendo esta presin de aire constante.
Elementos fundamentales de una perforadora neumtica
Una perforadora neumtica, y en esto no se diferencia en nada a una hidrulica, est constituda
por los siguientes elementos:
- Un cilindro que aloja un pistn que se mueve alternativamente, dirigido por una vlvula, y golpea
el extremo de una barrena.
- Un mecanismo de rotacin incorporado al mismo pistn (barra rifle o rueda trinquete) o
independiente de ste (motor de rotacin).
- Un sistema que permite el barrido del barreno para la evacuacin del detritus y que puede lograrse
por medio de una aguja de barrido que atraviesa el pistn, o bien, por medio de la inyeccin del
fludo de barrido (aire o agua) lateralmente en la cabeza frontal de la perforadora.
Con las perforadoras neumticas se aumenta considerablemente la eficacia. En estas mquinas,
una masa de pocos kilogramos se acelera hasta alcanzar una velocidad de impacto de hasta 10
m/seg, a lo largo de un recorrido o carrera de unos pocos centmetros y por efecto de una presin de
0.5 a 1.0 MPa. Ahora bien, respetando el principio de no sobrepasar la velocidad de 10 m/s,
observamos que en este tipo de mquinas nos alejamos sensiblemente del otro principio de utilizar
secciones del elemento de golpeo prximas a la seccin de las herramientas de uso prctico. As,
considerando un pistn de 2 kg de masa, una velocidad de 10 m/s, una carrera de 5 cm y una
presin de aire de 0.8 MPa, puede deducirse que la seccin del pistn precisa es de 25 cm. Una
seccin normal de varillaje o barrejos para ese tipo de perforadora tiene 5 a 6 cm. Es pues, en las
perforadoras neumticas, conveniente utilizar una seccin considerablemente superior que la
seccin del varillaje, en contraposicin con las exigencias de mxima eficiencia determinadas por
los diseos ms antiguos de perforadoras.
-
Mecnica de rocas Unidad 08 Pgina n 25
A medida que aumenta la longitud del barreno, se requiere una mayor presin de aire de barrido
para evacuar el detritus producido. Si ello no se produce, la capacidad de barrido disminuye con la
profundidad del barreno, afectando tambin a la velocidad de penetracin.
El campo de aplicacin de las perforadoras neumticas de martillo en cabeza se va reduciendo
cada vez ms hacia los barrenos cortos, con longitudes entre 2 y 15 metros, y el empleo de dimetro
pequeos: 38-100 mm. Esto se ha debido fundamentalmente al alto consumo de aire comprimido,
unos 2.4 m3/min por cada centmetro de dimetro y a los fuertes desgastes que se producen en todos
los accesorios, varillas, manguitos, bocas, etc..., por la frecuencia de impactos y forma de la onda de
choque transmitida con pistones de gran dimetro.
No obstante, las perforadoras neumticas presentan an numerosas ventajas:
- Gran simplicidad.
- Fiabilidad y bajo mantenimiento.
- Facilidad de reparacin.
- Precios de adquisicin bajos, y
- Posibilidad de utilizacin de antiguas instalaciones de aire comprimido en explotaciones
subterrneas.
Algunas caractersticas tpicas de estos equipos se indican en la tabla siguiente:
Relacin dimetro pistn/dimetro barreno 15 - 1,7
Carrera del pistn [mm] 35 - 95
Frecuencia de golpeo [golpes/min] 1500 - 3400
Velocidad de rotacin [r/min] 40 - 400
Consumo relativo de aire 2,1 - 2,8 diamcmmin/m3
6.1.2.- Perforadoras hidrulicas
A finales de la dcada de los sesenta y comienzos de los setenta, tiene lugar otro gran avance
tecnolgico en la perforacin de rocas con la introduccin de los equipos hidrulicos.
Una perforadora hidrulica bsicamente responde en su construccin a los mismos elementos
fundamentales que una perforadora neumtica.
Seccin de una martillo hidrulico (Atlas Copco)
La diferencia ms importante est en que, en lugar de utilizar aire comprimido (generado por un
compresor accionado por un motor elctrico o diesel) para el accionamiento del motor de rotacin y
-
Mecnica de rocas Unidad 08 Pgina n 26
para producir el movimiento alternativo del pistn, generalmente es un motor elctrico, el que
acciona un grupo de bombas que suministran un caudal de aceite que impulsa aquellos
componentes.
Las unidades de perforacin hidrulica van equipadas con un compresor cuya nica funcin es
suministrar el aire suficiente de barrido del detritus. Su presin puede incrementarse conforme
aumenta la longitud del barreno que se est perforando.
La perforacin hidrulica supone una mejora de las condiciones de ejecucin, al poder mantener
una velocidad de penetracin. Sin embargo, la desviacin de los barrenos, de su referencia inicial,
podra constituirse en un problema, especialmente cuando se utilizan martillos en cabeza con bocas
de botones.
En destrozas por banqueo, para una altura mxima de berma de unos 15 m, podra aceptarse tal
desviacin si se comprueba que afecta mnimamente a los resultados de la voladura. Cuando se
requiera una mayor precisin, debe recurrirse a la utilizacin de bocas gua.
Aunque en un principio la introduccin de estos equipos fue ms fuerte en trabajos subterrneos,
con el tiempo, se ha ido imponiendo en la perforacin de superficie complementando a las
perforadoras neumticas.
Las caractersticas de estas perforadoras se reumen en la tabla siguiente:
Caractersticas medias de martillos hidrulicos
Presin de trabajo [Mpa] 7,5 - 25
Potencia de impacto [KW] 6 - 20
Frecuencia de golpeo [golpes/minuto] 2000 - 5000
Velocidad de rotacin [rev/min] 0 - 500
Par mximo [Nm] 100 - 1800
Consumo relativo de aire 0,6 - 0,9 diamcmmin/m3
Segn potencia disponible del martillo se seleccionar el dimetro del varillaje. En la tabla que
sigue se recogen unas recomendaciones generales:
Potencia disponible
mm pulg del martillo [KW]
25,4 1" 8 - 12
31,7 1,25" 10 - 14
38,1 1,5" 14 - 16
44,5 1,75" 16 - 18
50,8 2" 18 - 22
Dimetro del varillaje
6.2.- Perforacin con martillo en fondo.
-
Mecnica de rocas Unidad 08 Pgina n 27
Estos martillos se desarrollaron en 1951 por Stenuick y desde entonces se han venido utilizando
con una amplia profusin en explotaciones a cielo abierto de rocas de resistencia media, en la gama
de dimetros de 105 a 205 mm, aunque existen modelos que llegan hasta los 915 mm.
La extensin de este sistema a trabajos subterrneos es relativamente reciente, ya que fue a partir
de 1975 con los nuevos mtodos de Barrenos Largos y Crteres Invertidos cuando se hizo popular
en ese sector.
En la actualidad, en obras de superficie este mtodo de perforacin est indicado para rocas
duras y dimetros superiores a los 150 mm, en competencia con la rotacin, debido al fuerte
desarrollo de los equipos hidrulicos con martillo en cabeza.
Su mecanismo de funcionamiento est basado en el impacto directo del pistn sobre la boca de
perforacin, por lo que no existe prdida de energa
en las juntas del varillaje. El fludo de
accionamiento es aire comprimido que se suministra
a travs de un tubo que constituye el soporte y hace
girar al martillo. La rotacin es efectuada por un
simple motor neumtico o hidrulico montado en el
carro situado en superficie, lo mismo que el sistema
de avance. La limpieza del detrito se efecta por el
escape del aire del martillo a travs de los orificios
de la boca.
Esquema de los componentes de un carro perforador con
martillo en fondo
El martillo en fondo y la boca forman una unidad integrada dentro del barreno, como puede
verse en la figura:
Martillo en fondo (Atlas Copco)
En los martillos en fondo, generalmente, la frecuencia de golpeo oscila entre 600 y 1600 golpes
por minuto. La relacin carrera/dimetro del pistn en los martillos en cabeza es menor o igual a 1,
pero en los martillos de fondo como las dimensiones del pistn estn limitadas por el dimetro del
barreno, para obtener la suficiente energa por golpe la relacin anterior es del orden de 1.6 a 2.5 en
los calibres pequeos y tendiendo a 1 en los grandes.
Si se analiza la frmula de la potencia proporcionada por una perforadora rotopercutiva:
2
1
p
2
1
p2
3
pm
m
IApKPM
-
Mecnica de rocas Unidad 08 Pgina n 28
donde:
pm = presin del aire 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 tiene una mayor influencia sobre la velocidad de
penetracin obtenida con un martillo en fondo. Actualmente, existen equipos sin vlvulas que
operan a altas presiones, 2 a 2.5 MPa, consiguiendo altos rendimientos.
Con el fin de evitar la percusin en vaco los martillos suelen ir provistos de un sistema de
proteccin que cierran el paso del aire al cilindro cuando la boca no se apoya en la roca del fondo
del taladro.
La sujecin de las bocas al martillo se realiza por dos sistemas: el primero, a modo de bayoneta,
consiste en introducir la boca en el martillo y girarla en un sentido, normalmente a izquierda,
quedando as retenida; el segundo, mediante el empleo de elementos retenedores, semianillas o
pasadores.
Cuando se perfora una formacin rocosa en presencia de agua, debe disponerse de un compresor
con suficiente presin de aire para proceder en determinados momentos a su evacuacin. De lo
contrario, el peso de la columna de agua har caer el rendimiento de perforacin.
En cuanto al empuje que debe ejercerse para mantener la boca lo ms en contacto posible con la
roca, una buena regla prctica es la de aproximarse a los 85 Kg por cada centmetro de dimetro. Un
empuje excesivo no aumentar la penetracin, sino que acelerar el desgaste de la boca y aumentar
los esfuerzos sobre el sistema de rotacin. Cuando se perfore a alta presin se precisar al principio
una fuerza de avance adicional para superar el efecto de contraempuje del aire en el fondo del
barreno, sucediendo lo contrario cuando la profundidad sea grande y el nmero de tubos tal que
supere al peso recomendado, siendo necesario entonces que el perforista accione la retencin y
rotacin para mantener un empuje ptimo sobre la boca.
Las velocidades de rotacin aconsejadas en funcin del tipo de roca son:
Tipo de Velocidad de
Roca rotacin [r/min]
Muy blanda 40 - 60
Blanda 30 - 50
Media 20 - 40
Dura 10 - 30 Como regla prctica puede ajustarse la velocidad de rotacin a la de avance con la siguiente
expresin:
Velocidad rotacin [r/min] = 1.66 Velocidad de penetracin [m/h]
Los tubos de perforacin conducen el aire comprimido, hasta el mecanismo de impacto y
transmiten el par de rotacin y la fuerza de avance. El aire de escape limpia de detritus la parte
inferior del barreno y lo transporta al exterior del mismo.
En teora, la velocidad de penetracin de un martillo en fondo no debe variar con la profundidad
del barreno. Sin embargo, es normal que se produzca una ligera disminucin de esta velocidad al
reducirse la capacidad de barrido.
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Si se aumenta la presin del aire en un martillo en fondo, la generacin de energa en el
mecanismo de impacto es mayor. Esto permite mantener o incrementar la velocidad de penetracin.
Adems del aire, como fludo de barrido puede emplearse el agua y la inyeccin de un
espumante. Este ltimo presenta diversas ventajas ya que se consigue una buena limpieza en
grandes dimetros con aire insuficiente, con velocidades ascensionales ms bajas (hasta 0.77 m/s), y
permiten mantener estables las paredes de los taladros en formaciones blandas. Este mtodo es
especialmente indicado en la perforacin de pozos de agua en terrenos poco consolidados.
La lubricacin de los martillos en fondo es de vital importancia. Los consumos de aceite varan
con los diferentes modelos, pero como regla general se recomienda un litro de aceite por hora por
cada 17 m3/min de caudal de aire suministrado. Cuando se perfora a alta presin se aconseja un
consumo mnimo contnuo de 1 l/h. Si se emplea agua o espumantes debe aumentarse la cantidad de
aceite.
En cuanto al tamao de los tubos, stos deben tener unas dimensiones tales que permitan la
correcta evacuacin de los detritus por el espacio anular que queda entre ellos y la pared el barreno.
Los dimetros recomendados en funcin del calibre de perforacin se indican en la tabla siguiente:
Dimetro de Dimetro de
perforacin [mm] la tubera [mm]
102 - 115 76
127 - 140 102
152 - 165 114
200 152
Los barrenos perforados con martillo en fondo, acusan mnimas desviaciones, consiguindose
resultados muy favorables en rocas de alta fracturacin. El varillaje, compuesto por tubo de idntico
dimetro, en toda su longitud, no tiene acoplamiento que puedan atascarse por cada de fragmentos
de roca dentro del barreno.
En la tabla siguiente se indican las caractersticas tcnicas de algunos martillos de fondo:
Dimetro de perforacin [mm] 100 125 150 200 300
Dimetro del pistn [mm] 75 91 108 148 216
Carrera del pistn [mm] 100 102 102 100 100
Peso del martillo [Kg] 38,5 68,5 106 177 624
Consumo de aire 4,7 6,7 10,1 17,1 28,2
Relacin dim barreno/dim pistn 1,33 1,37 1,39 1,35 1,39
Consumo relativo aire 0,47 0,54 0,67 0,86 0,94
MPa1amin/m3
diamcmmin/m3
6.3. Ventajas y desventajas de la tcnica de perforacin con martillo hidrulico en cabeza.
Este mtodo tuvo, desde sus comienzos, una gran aceptacin, por lo que virtualmente ha ido
simultaneando y/o sustituyendo en parte al martillo neumtico en cabeza en sus campos de
actuacin.
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Las razones por las que la perforacin hidrulica supone una mejora tecnolgica sobre la
numtica son las siguientes:
- Mayor capacidad de perforacin: Debido
a la mejor transmisin de energa y forma de
la honda, las velocidades de penetracin de
las perforadoras hidrulicas son de un 50 a un
100 % mayores que las que los equipos
neumticos, con lo que se obtienen mejores
rendimientos:
Velocidades de penetracin y rendimientos de algunas
perforadoras hidrulicas (Atlas Copco)
- Un mejor aprovechamiento de la energa: Las perforadoras hidrulicas trabajan con fludos a
presiones muy superiores a las accionadas neumticamente y, adems, las cadas de presin son
mucho menores. Se utiliza, pues, de una forma ms
eficiente la energa, siendo necesario por metro perforado
un tercio menos de la que se consume con los equipos
neumticos lo que supone un consumo de combustible
por metro perforado de 1/3 a 1/4 veces menos, de lo que
se consume con los equipos neumticos de martillo en
cabeza o en fondo:
El consumo de energa en una perforadora hidrulica se reduce en
un 60 a 70%
- Menor costo de accesorios de perforacin: La transmisin de energa en los martillos
hidrulicos se efecta por medio de pistones ms alargados y de menor dimetro que los
correspondientes a los martillos neumticos. La fatiga generada en el varillaje depende de las
secciones de ste y del tamao del pistn de golpeo, pues, como se observa en la figura siguiente, la
forma de la onda de choque es mucho ms limpia y uniforme en los martillos hidrulicos que en los
neumticos, donde se producen niveles de tensin muy elevados que son el origen de la fatiga sobre
el acero y de una serie de ondas secundarias de bajo contenido energtico. En la prctica, se ha
comprobado que la vida til del varillaje se incrementa para las perforadoras hidrulicas
aproximadamente un 20%.
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- Mayor facilidad para la automatizacin: Estos equipos son mucho ms aptos para la
automatizacin de operaciones, tales como el cambio de varillaje, mecanismos antiatranque, etc..
- Mayor elasticidad de la operacin: Es posible variar dentro de la perforadora la presin de
accionamiento del sistema y la energa por golpe y frecuencia de percusin lo que da la posibilidad
de adoptar el diseo de la perforadora a las caractersticas de la roca.
En la perforacin con martillo hidrulico en cabeza, la longitud de la carrera, la frecuencia de los
impactos, la energa del impacto, el par de rotacin, la velocidad de rotacin, el avance y los
parmetros de barrido se pueden ajustar y adaptar a las caractersticas de la roca que se est
perforando, para lograr una velocidad de penetracin y una economa de perforacin ptimas.
El bajo nivel de potencia requerido, gracias a su elevado rendimiento y al mnimo caudal de aire
que se precisa para el barrido del detritus, limitan el tamao de la unidad de potencia. Ello ha dado
como resultado el diseo y realizacin de unos equipos de perforacin compactos y ligeros de peso,
con una excelente capacidad de desplazamiento por los terrenos a perforar.
- Mejores condiciones ambientales: Los niveles de ruido en una perforadora hidrulica son
sensiblemente menores a los generados por una neumtica, debido a la ausencia del escape de aire.
Principalmente, esto es as en el
campo de las bajas frecuencias,
donde los auriculares protectores son
menos eficientes.
Niveles sonoros para algunos tipos de
perforadoras
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Adems, en las labores subterrneas no se produce la niebla de agua y aceite en el aire del frente,
mejorando el ambiente y la visibilidad del operario.
La tendencia en los diseos de estos equipos es mejorar las condiciones de seguridad y
confortabilidad para el personal. La hidrulica ha permitido un diseo ms ergonmico de los
equipos, haciendo que las condiciones generales de trabajo y de seguridad sean mucho ms
favorables.
- Dimetros de barrenos La perforacin con martillo hidrulico en cabeza se lleva a cabo en la
gama de 27 a 127 mm, que cubren las barras integrales de 22 mm y las extensibles de 51 mm.
- Profundidad de los barrenos Debido a la desviacin angular que puede darse, la longitud de los
barrenos est limitada a 25-30 m, aunque en casos especiales se pueda perforar barrenos ms
profundos. Para ello, deben elegirse unidades de perforacin de tamao medio, equipadas con
potentes deslizaderas y una entrada para el barrido por agua a alta presin. Es indudable, que para
alcanzar unos elevados rendimientos en este tipo de perforaciones, debe asegurarse que las
caractersticas del mecanismo de impacto sean las adecuadas para la ejecucin de barrenos largos.
- Velocidad de penetracin. En la perforacin del granito con martillo en cabeza, la velocidad de
penetracin vara entre 2 m/min, con bocas de 64 mm, a algo menos de 1 m/min con bocas de 102
mm en barrenos de pequea longitud (20 m). La vida de servicio del varillaje y la economa de la
perforacin son factores que imponen los lmites a la velocidad de perforacin, la cual disminuye
con la profundidad del barreno.
Por el contrario, las desventajas que presentan son:
- Mayor inversin inicial.
- Reparaciones ms complejas y costosas que en las perforadoras neumticas, requirindose una
mejor organizacin y formacin del personal de mantenimiento.
6.4. Ventajas y desventajas de la tcnica de perforacin con martillo en fondo.
El martillo en fondo, cuyo campo de aplicaciones se desarrolla en rocas de resistencia a la
compresin medias-altas (60-100 MPa), utiliza como dimetros ms frecuentes los comprendidos
entre los 85-200 mm, aunque esta variacin puede ser ampliada a dimetros mayores en
competencia con los sistemas rotopercutivos hidrulicos con martillo en cabeza.
Las ventajas que pueden citarse, de la perforacin con martillo en fondo, frente a otros sistemas
son:
- Una fuerza de avance relativamente pequea, unida a un varillaje rgido y a una buena gua,
entre el martillo en fondo y las paredes del barreno, dan como resultado unos barrenos sin apenas
desviaciones, en comparacin con la perforacin con martillo en cabeza. No obstante, en ambos
casos la utilizacin de guas o bocas especiales reduce las desviaciones de los barrenos.
- El espacio anular que se forma entre el tubo de perforacin y las paredes del barreno debe tener
unas dimensiones adecuadas para la correcta evacuacin del detritus, a travs de todo el aire que
acciona el mecanismo de impacto. En condiciones de perforacin excepcionalmente difciles, es
posible incrementar notablemente la capacidad de barrido, mediante un sistema directo o
adaptadores con toberas de barrido. Por esto los desgastes de las bocas son menores que con
martillo en cabeza.
-
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- La posibilidad de perforar barrenos rectos y profundos, y lograr un barrido eficaz, permite
conseguir unos resultados excelentes en todo tipo de roca, siempre que las paredes del barreno sean
estables.
- Debido a la transmisin directa de la energa o fuerza de impacto desde el pistn a la boca, se
pueden perforar barrenos profundos, con una velocidad de penetracin constante, sin verse
prcticamente afectada. Por el contrario, en la perforacin con martillo en cabeza, la velocidad de
penetracin disminuye conforme aumenta la longitud del barreno, debido a las prdidas de potencia
en las juntas del varillaje y en los manguitos de acoplamiento.
Variacin de la velocidad de penetracin con el nmero de
varillas en los martillos en cabeza y en fondo (Ingersoll-Rand)
- Vida ms larga de los tubos que de las varillas y manguitos.
- La menor energa por impacto y la alta frecuencia de golpeo favorecen su empleo en
formaciones descompuestas o con estratificacin desfavorable.
- Se precisa un par y una velocidad de rotacin menores que en otros mtodos de perforacin.
- No se necesitan barras de carga y con carros de pequea envergadura es posible perforar
barrenos de gran dimetro a profundidades elevadas.
- El coste por metro lineal es, en dimetros grandes y rocas muy duras, menor que con perforacin
rotativa.
- El consumo de aire es ms bajo que con martillo en cabeza neumtico.
- El nivel de ruido en la zona de trabajo es inferior al estar el martillo dentro de los barrenos
- Dimetros de barrenos. En la perforacin destinada a la excavacin de grandes volmenes de
produccin, la gama de dimetros a utilizar est comprendida entre 85 y 165 mm. Los calibres
comerciales ms comunes van de 76 a 305 mm (3" a 12") aunque existe disponibilidad de dimetros
mayores.
- Profundidad de los barrenos. En la perforacin de barrenos profundos es normal utilizar
martillos en fondo de 50 a 305 mm (2" a 12"). Los mayores dimetros son utilizados en la ejecucin
-
Mecnica de rocas Unidad 08 Pgina n 34
de barrenos ms cortos, donde el tubo de perforacin est adaptado al tamao del chasis que se est
utilizando. Son claros ejemplos de perforacin con dimetros altos, las cimentaciones por pozos, la
construccin de canalizaciones y la ejecucin de sistemas de drenaje en obras lineales.
- Velocidades de penetracin. Cuando se utilizan martillos en fondo para perforar barrenos en el
intervalo de dimetros de 105-165 mm, la velocidad de penetracin se sita con valores de 0.5-0.6
m/min, con presiones de trabajo entre 1800 Kpa - 2000 Kpa. Las presiones de trabajo de los
martillos en fondo han sido limitadas a un mximo de 1200 Kpa, lo cual condiciona la velocidad de
penetracin. Incluso los martillos en fondo de mayor tamao, tienen una presin especfica de
trabajo ptima.
Por el contrario, los inconvenientes que presenta son:
- Velocidades de penetracin bajas.
- Cada martillo est diseado para una gama de dimetros muy estrecha que oscila en unos 12
mm.
- El dimetro ms pequeo est limitado por las dimensiones del martillo con un rendimiento
aceptable, que en la actualidad es de unos 76 mm.
- Existe un riesgo de prdida del martillo dentro de los barrenos por atranques y
desprendimientos del mismo.
- Se precisan compresores de alta presin con elevados consumos energticos
En la actualidad, el sistema de martillo en fondo en el rango de 76 a 125 mm est siendo
desplazado por la perforacin hidrulica con martillo en cabeza.
7. Perforacin rotativa con tricono
Hasta 1949, la mayor parte de los barrenos para voladura eran realizados mediante perforadoras
a rotopercusin y slo en el caso de rocas muy blandas era aplicable la perforacin a rotacin
mediante bocas de corte o trpanos.
La apertura en EEUU de grandes explotaciones de carbn a cielo abierto, con espesores de
recubrimiento que alcanzaban hasta 40m, y la aparicin en el mercado de un explosivo a granel
barato y de gran eficiencia energtica como el ANFO, fueron acontecimientos que impulsaron a los
fabricantes de perforadoras a disear equipos de gran capacidad capaces de alcanzar elevadas
velocidades de penetracin.
Simultneamente, se comenzaron a utilizar de forma generalizada en la minera las bocas
denominadas triconos, desarrolladas en el campo del petrleo desde 1907, y a aplicar el aire
comprimido como fludo de evacuacin de los detritus formados durante la perforacin.
Las perforadoras rotativas estn constitudas bsicamente por una fuente de energa, una batera
de barras o tubos, individuales o conectadas en serie, que transmiten el peso, la rotacin y el aire de
barrido a una boca con dientes de acero o de insertos de carburo de tungsteno que deben fragmentar
la roca.
En este tipo de perforacin, las prdidas de energa en las barras y la boca son desprenciables,
por ello, la velocidad de penetracin no vara sensiblemente con la longitud del barreno. Para
conseguir hacer girar las barras y transmitir el par, las perforadoras llevan un sistema de rotacin
montado generalmente sobre un bastidor que se desliza a lo largo del mstil de la perforadora.
La energa se transmite a travs de las barras de perforacin, que giran al mismo tiempo que
penetra la boca, merced a la elevada fuerza de avance.
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Mecnica de rocas Unidad 08 Pgina n 35
Las fuentes primarias de energa pueden ser: motores diesel o elctricos. En perforadoras con
dimetros por encima de 9" (230mm), est generalizado el empleo de energa elctrica a media
tensin, alimentando la perforadora con corriente alterna mediante cable de cuatro conductores con
recubrimiento de goma.
Componentes principales de una perforadora rotativa de accionamiento elctrico (Marion)
Las perforadoras medianas y pequeas, que suelen estar montadas sobre camin, pueden ser
accionadas por uno o dos motores diesel.
Un reparto medio de la potencia instalada en estas unidades para las diferentes operaciones y
mecanismos es la siguiente:
- movimiento de elevacin y traslacin = 18%
- Rotacin = 18%
- Empuje = 3%
- Nivelacin = 2%
- Captacin de polvo = 3%
- Barrido y limpieza de los detritus con aire comprimido = 53%
- Equipos auxiliares = 3%
En caso de accionamiento diesel, ste puede efectuarse con el mismo motor que acciona el
camin o con un motor independiente. En la actualidad suele ser ms usual y eficiente la segunda
configuracin, dadas las diferentes caractersticas de los motores que se necesitan.
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Los equipos elctricos tienen unos costes de mantenimiento de un 10 a 15% ms bajos que los
de accionamiento diesel. Estos ltimos, son elegidos cuando alrededor de las explotaciones no se
dispone de adecuada infraestructura de suministro elctrico o cuando la mquina va montada sobre
camin.
Con el fin de hacer girar las barras y transmitir el par, las perforadoras llevan un sistema de
rotacin montado generalmente sobre un bastidor que se desliza a lo largo del mstil de la
perforadora.
El sistema de rotacin Directo puede estar consitudo por un motor elctrico o hidrulico. El
primero, es el ms utilizado en las mquinas grandes, pues aprovecha la gran facilidad de
regulacin de los motores de corriente contnua, en un intervalo de 0 a 100 r/min.
El sistema hidrulico consiste en un circuito cerrado con una bomba de presin constante y un
convertidor de par con el que se logra variar la velocidad de rotacin del motor hidrulico, situado
en la cabeza de la
sarta de perforacin.
Este tipo est muy
extendido en los
equipos pequeos y
medianos.
Los sistemas de
rotacin pueden ser:
directos, de mesa de
rotacin, o de falsa
barra Kelly, cuyos
esquemas de
funcionamiento son:
Sistemas de rotacin: a) Directo, b) Mesa de rotacin, c) Falsa barra Kelly
Este mtodo de perforacin es muy verstil, y abarca una amplia gama de rocas, desde las muy
blandas, donde comenz su aplicacin, hasta las muy duras, donde han desplazado a otros sistemas.
Los sistemas de montaje para las perforadoras rotativas son dos: sobre orugas o sobre
neumticos.
La eleccin de uno y otro sistema depende de las condiciones del terreno donde se van a
desarrollar los trabajos, y de factores como la maniobrabilidad, la movilidad de la mquina, la
estabilidad, etc.
Para obtener una buena velocidad de penetracin en la roca es preciso un determinado empuje
que depende tanto de la resistencia de la roca como del dimetro del barreno que se pretende
perforar. Como el peso de las barras no es suficiente para obtener la carga precisa, se hace necesario
aplicar fuerzas adicionales que suelen transmitirse casi exclusivamente a travs de energa
hidrulica.
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Existen bsicamente cuatro sistemas. Los
tres primeros que se representan en la figura
siguiente:
El cuarto sistema est constitudo por
uno o dos cilindros accionados hidrulicamente. Tiene las siguientes
ventajas: poco peso, absorbe impactos, indica el nivel de desgaste o
fatiga y es facil de reemplazar o ajustar.
Sistema de empuje por cilindro hidrulico
Estos mecanismos de empuje permiten, adems de suministrar un esfuerzo de empuje
perfectamente controlado, izar las barras que constituyen la sarta de perforacin.
El peso de todo el conjunto de la mquina acta como reaccin contra el empuje aplicado a la
boca, de donde se deduce que el peso de la perforadora debe ser normalmente el doble de la carga
mxima que se pretende conseguir.
Las velocidades de elevacin de la sarta suelen ser de 18 a 21 metro por minuto, no
recomendndose valores superiores por problemas de vibraciones.
La estructura del mstil que soporta las barras y la cabeza de rotacin, debe estar diseada para
resistir las flexiones debidas al peso, el esfuerzo de empuje y las tensiones originadas por el par de
rotacin. Los diseos ms frecuentes han sido de tipo reticular, de seccin normal o tubular. Los
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equipos modernos disponen de una estructura de vigas cajn que permiten el empleo de mayores
longitudes de mstil y la aplicacin de altos pares de rotacin.
Los mstiles suelen se abatibles mediante cilindros hidralicos o tubos telescpicos, ya que para
efectuar los traslados importantes es preciso bajar el centro de gravedad de la mquina. Los tiempos
de elevacin del mstil oscilan entre 2 y 5 minutos.
La perforacin inclinada, suele ser perjudicial por los esfuerzos de fatiga a los que se somete al
mstil y a las barras, adems de la disminucin en la capacidad de empuje y dificultad en la
evacuacin de los detritus traducindose todo ello en un descenso de la produccin, que en el caso
de rocas duras puede llegar hasta el 20 %. La inclinacin se puede regular entre los 0 y 30, con
intervalos de 5 generalmente.
An cuando es recomendable que se seleccione una mquina que permita perforar los barrenos
con una sola barra, hay que preveer la necesidad de abrir barrenos de mayor longitud, lo cual obliga
a que el mstil lleve un sistema portabarras, as como un mecanismo de accionamiento de las
mismas para su colocacin o desacoplamiento.
Los equipos disponen de sistemas del tipo bandeja, de una a tres barras normalmente,
o del tipo revlver que con ms de cuatro barras tienen una capacidada de perforacin
de 50-60 metros. El accionamiento es hidrulico.
Los tiempos invertidos en los cambios de barras oscilan
entre los 2 y 6 minutos por cada una de ellas.
Cambiador de barras de tipo revlver
La cabina de mando, presurizada y climatizada, debe tener todos los controles e instrumentos
requeridos en las maniobras de la unidad durante la perforacin:
- Control del motor principal y caja de cambios.
- Control de elevacin y descenso de la torre.
- Control de los gatos de nivelacin.
- Control de velocidad de rotacin.
- Control de empuje sobre el tricono.
- Control de inyeccin de agua.
- Control del carrusel, etc.
Normalmente, est ubicada cerca del mstil permitiendo observar todos los movimientos
realizados con las barras durante el trabajo.
Sistema de evacuacin de los detritus: El aire comprimido cumple las siguientes funciones:
- Enfriar y lubricar los cojinetes del tricono.
- Limpiar el fondo del barreno y
- Elevar el detrito con una velocidad ascensional adecuada.
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El aire circula por un tubo desde el compresor al mstil y desde ste, por manguera flexible
protegida, a la cabeza de rotacin, de donde pasa al interior de la barra de perforacin que lo
conduce hasta la boca, saliendo entre los conos para producir la remosin de los detritus
elevndolos hasta la superficie. Si los trozos son grandes y el caudal de aire insuficiente vuelven a
caer en el fondo, producindose su remolienda hasta alcanzar el tamao adecuado para ascender. La
falta de aire produce as un consumo de energa innecesario, una menor velocidad de penetracin y
un mayor desgaste de la boca. Por el contrario, si la velocidad ascensional es muy alta aumentan los
desgastes en el centralizador y en las barras de perforacin.
Si se conoce la densidad de la roca y el dimetro de las partculas, pueden aplicarse dos frmulas
para calcular la velocidad ascensional mnima:
donde:
Va = Velocidad ascensional mnima [m/min]
r = Densidad de la roca [g/cm] dp = Dimetro de la partcula [mm]
El caudal de aire necesario se calcula mediante la expresin:
donde:
Ab = Area de la corona circular