topicos de mineria a cielo abierto (27!04!2011)
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TOPICOS DE MINERIA A CIELO
ABIERTO
EXPOSITOR:
ING JORGE DIAZ ARTIEDA
INTRODUCCION
A nivel mundial, mas del 90% de la explotación minera es efectuada a
tajo abierto, la razón de ello es que cada vez se requiere explotar
depósitos con mas bajo valor unitario, lo cual solo es económicamente
factible trabajando con grandes volúmenes. Por otra parte las
industrias que fabrican equipo minero pueden suministrado en
tamaños cada vez mas grandes y eficientes así: palas eléctricas de
80/120 yd3, camiones de 300/400 Tcs, perforadoras capaces de
perforar diámetros de 14 a 16 pulgadas, así como gigantes
cargadores frontales, bulldozers y motoniveladoras para apoyar al
equipo principal.
La perforación y voladura constituyen uno de los mas importantes
procesos que se efectúan en minería superficial; ambas están
íntimamente ligadas y pese a que su costo solo representa ≈ 12/18%
del costo directo de minado (para un wor =3:1, el costo de carguío ≈
23% y el de acarreo = 63%. Sin embargo su influencia en la
producción y productividad de las operaciones mineras a tajo abierto
es crítica puesto que una buena fragmentación del material disparado,
reduce los costos de carguío, acarreo y chancado en la
concentradora.
PERFORACIÓN
La invención de las brocas Tricónicas en 1909 permitió perforar rocas duras a
menor costo y con mayores velocidades de penetración. (1 - 1.5ft/min.),
extendiéndose su uso tanto en minería superficial, subterránea (taladro piloto en
las Raise Borers), como en petróleo, debido a que con el tiempo se introdujeron
mejoras en el diseño, metalurgia y practicas de perforación. Para una mejor
comprensión de estos factores en las páginas siguientes tomadas del manual de
Atlas Copco, se muestra un esquema de la corteza terrestre, una tabla de dureza
de los minerales componentes de las rocas, el tipo de rocas según su génesis, su
estructura, perforabilidad, una tabla de resistencia a la compresión y métodos, de
perforación para diferentes tipos de roca
MINERALES
Los minerales más comunes que forman una roca son: cuarzo, calcita, feldespatos,
hornblenda, mica y clorita. Los minerales tienen diferentes durezas y normalmente
son clasificados de acuerdo a una escala de durezas del 1 al 10 (escala de Mohs):
1. Talco Fácilmente triturado entre los dedos
2. Yeso Fácilmente rayado con la uña
3. Calcita, Mica Difícilmente rayada con la uña
4. Florita Fácilmente rayada con una cuchilla
5. Apatito, Horblenda Eficazmente rayada con una cuchilla
6. Feldespatos Difícilmente rayados con una cuchilla
7. Cuarzo Raya el vidrio, Rayado con aceros especiales
8. Topacio Raya el vidrio. Rayado con berilo (agua marina)
9. Corindón Raya el vidrio. Rayado con diamante
10.Diamante Raya el vidrio
Las diferentes especies de roca son clasificadas en 3 grupos, en concordancia con
la manera en que fueron formadas:
ROCAS ERUPTIVAS
Las rocas eruptivas son formadas por las masas ó mantas de lava (magma)
solidificados y cristalizados.
Si un magma es solidificado lentamente y sometido a una presión alta, a gran
profundidad, se forma una roca de cristales mayores y grano grueso como el
granito, la monzonita, etc.
Cuando un magma emerge más próximo a la superficie de la tierra, en forma de
lava, las masas se enfriarán más rápidamente y formarán una roca con
granulación más fina, como el basalto, pórfido y diabasa.
ROCAS SEDIMENTARIAS
Las rocas sedimentarias están formadas por el material intemperizado de la
corteza sólida de la tierra, el mismo que con el tiempo se ha erosionado, ha sido
transportado y sedimentado en las bocas de los rios y sobre el fondo de mares
prehistóricos. Ejemplos de rocas sedimentarias son: areniscas, pizarras, calizas.
ROCAS METAMORFICAS
Las rocas metamórficas están formadas a partir de rocas eruptivas o
sedimentarias. La influencia de la presión, de la temperatura o del intercambio de
elementos con el ambiente circundante transforma su estructura y composición
Rocas metamórficas
Leptita
Gneiss
Anfíboles
Cuarcita
Mármol ó caliza cristalina
Origen
Lava volcánica
Granito
Diabasa, basalto
Areniscas de cuarzo
Calizas
ESTRUCTURAS
Las diferentes especies de roca pueden también ser clasificadas de acuerdo a su
propia estructura. Si los granos de los minerales están mezclados en una masa
homogénea, la roca es masiva, por ejemplo: el granito. En una roca de especie
laminada los granos de minerales están arreglados según capas ó láminas.
PERFORABILIDAD, DUREZA, TAMAÑO DEL GRANO, ABRASIVIDAD
La perforabilidad de una roca depende, entre otras cosas, de la dureza de los
minerales incluidos y del tamaño de los granos de los mismos. El cuarzo es uno
de los minerales formadores de roca más común. Como el cuarzo es muy duro, un
alto contenido de cuarzo (índice de dióxido de silicio) hará que la roca sea más
difícil de perforar ya que deriva un mayor desgaste en las herramientas de
perforación. La roca, en este caso, es abrasiva. En contraste, una roca con un alto
contenido de calcita es fácilmente perforada y origina reducido desgaste de
herramientas de perforación. La roca es poco abrasiva.
RESISTENCIA A LA COMPRESIÓN
La resistencia compresiva de una roca es la medida que traduce la capacidadde una muestra de roca para resistir a una carga estática aplicada sobre ella,hasta que la misma se quiebre. Esta magnitud a menudo es usada para medirla perforabilidad de las rocas.
Si la estructura de la roca es de granulometría gruesa, la perforación será másfácil y habrá menos abrasividad, en comparación con una roca con unaestructura de granulometría fina: consecuentemente, dos rocas conaproximadamente un mismo contenido de mineral pueden tenerperforabilidades completamente diferentes.
En la mayoría de los casos es difícil clasificar una especie de roca, de acuerdoa su perforabilidad, dependiendo muchas veces las definiciones de un criterioa otro. Una indicación razonable de perforabilidad de roca puede ser obtenidaestudiando la composición mineralógica, la granulometría y la estructura de lamisma.
Para poder proporcionar recomendaciones detalladas en cuanto a perforación,normalmente es necesaria una prueba de perforación en el terreno.
PRINCIPIOS DE PERFORACIÓN DE ROCAS
TIPOS DE ROCA
Yeso Caliza Granito Taconita
Arenisca Pizarra Cuarcita
Resistencia compresiva
500 1000 1500 2000 2500 3000 4000 5000 (kg / cm2)
7000 14000 21000 28000 35000 43000 57000 710000 ( psi)
Perforación por percusión----------------------------------------------------------------------------
Perforación rotary con inserto de carburo de tungsteno-------------------------------------
Perforación rotary con dientes de acero---------------------------------------------------------
Rotación abrasiva Daimond Drills------------------------------------------------------------------
PERFORACION POR PERCUSIÓN
La perforación por percusión es el método más común y es usado en casi todos los
tipos de roca, ya sea en perforación convencional ó en la de martillo en el fondo
(down-the-hole).
PERFORACION ROTATIVA
Perforación por rotación/trituración es un método de intenso desarrollo.
Originalmente fue usado en perforación de pozos de petróleo, ahora está siendo
cada vez más empleado en la perforación de voladura en minas a cielo abierto, en
rocas cada vez más duras. El método es aplicable en perforación de rocas con
una compresividad de hasta 5000 bar (kg/cm2).
PERFORACION ABRASIVO-ROTATIVA
La perforación por rotación abrasiva es normalmente usada en prospección
cuando se desea obtener una muestra o testigo; en este caso se usa una broca en
forma de aro, con insertos de diamantes.
En perforación por percusión ó trituración y corte, una roca es fracturada al
encontrarse sometida a una gran carga compresiva, por medio de un botón ó
un inserto de carburo de tungsteno y luego desgarrada por rotación
RENDIMIENTO DE LAS BROCAS TRICÓNICAS
El rendimiento de las brocas tricónicas, utilizando aire comprimido como medio
para extraer las partículas cortadas tan rápido como se producen, reduciendo los
costos de perforación y acelerando la velocidad de penetración depende de:
a) Velocidad de rotación de la Broca.
b) Presión ejercida sobre el fondo del Taladro.
c) Volumen y velocidad de barrido del aire de limpieza.
A) VELOCIDAD DE ROTACIÓN DE LA BROCA
La experiencia ha demostrado que perforando entre 30 y 100 RPM, obtendremos
adecuadas velocidades de penetración y un buen rendimiento por broca.
Debido a que las propiedades del terreno pueden variar no solo de un taladro a
otro, sino de un metro a otro dentro de un mismo taladro, es necesario utilizar
ciertos criterios para tener una buena penetración en el taladro.
A mayor dureza de la roca, utilizar mayor presión sobre el fondo (P/F), de 4,000 á
8,000lbs por pulgada de diámetro de broca y disminuir la velocidad de rotación
(RPM), esto se hace, por que con mayor presión sobre el fondo (P/F), podemos
vencer la resistencia a la Compresión, de la roca que se perfora, se disminuyen
las revoluciones (RPM) ya que al aumentar la presión se generan grandes
esfuerzos en los rodajes, dientes o insertos reduciéndose la vida de la broca
B) PRESIÓN SOBRE EL FONDO
Como hemos visto anteriormente, es necesario aplicar suficiente presión sobre
la roca para vencer su resistencia a la compresión y luego desgarrarla mediante
el giro y suficiente velocidad de limpieza para eliminar las partículas cortadas tan
rápido como se forman.
Las Brocas Tricónicas ó B. Rotary pueden perforar en la mayoría de las
formaciones; sin embargo para obtener el máximo rendimiento en pies
perforados y alta velocidad de penetración, con los subsecuentes ahorros en
costo, debemos escoger el tipo de broca adecuado para la formación que se
perfora.
En perforación rotary siempre debemos estar seguros de suministrar un volumen suficiente a una presiona adecuada para asegurar la vida optima de la broca, manteniendo la presión sobre el fondo y las revoluciones requeridas.
Se debe suministrar suficiente aire para producir una velocidad anular de retorno de por lo menos 5,000 fpm. Para materiales suaves y 7,000 fpm. Para materiales mas pesados, requiriendose 9,000 fpm para materiales muy pesados y presencia de barro.
Para determinar el volumen requerido, usamos la siguiente formula: Q-A*V; teniendo en cuenta que hay muy poca perdida de fricción debido al corto tramo existente entre la compresora y la broca.
V
Q = ------------ (D2 - d2)
183.35
Donde:
Q = Volumen de aire circulado a condiciones Estandar.
V = Velocidad de limpieza (fpm)
D = Diámetro del taladro.
d = Diámetro del tubo de perforación.
En la figura adjunta se muestra los volúmenes de aire requerido en (fpm) necesarios para producir una velocidad de limpieza de 5,000 y 7,000 fpm.
C) VOLUMEN Y VELOCIDAD DE BARRIDO DEL AIRE DE LIMPIEZA
PERFORMANCE EN ALTURA
La temperatura y la presión ambiental disminuyen con la altura tal como se muestra en el cuadro adjunto.
Dichos cambios afectan en la compresora el radio de compresión y por lo tanto la potencia del flujo de aire.
Los cambios en las condiciones ambientales también afectan la potencia disponible en las maquinas de combustión interna y rendimiento de motores eléctricos.
Como ejemplo supongamos que tenemos una compresora que entrega Q=1,600 CFM a nivel del mar; ¿que tamaño de compresora será necesario instalar para suministrar dicho volumen de aire a 4,000 msnm.?
Para ello utilizamos como factor de corrección la densidad del aire a nivel del mar y a 4,000 msnm.
1.225
Q4,000 = 1,600 CFM x ----------- = 2,393 ≈ 2,400 CFM
0.819
COMO REMOVER E INSTALAR LAS TOBERAS
SELECCIÓN DE TOBERAS
Las perforadoras rotary en tamaños mayores a 6 ¾ in, tienen incorporado un sistema de limpieza con aire a alta velocidad el cual es dirigido hacia el fondo del taladro, circulando entre los conos;
Para asegurar su limpieza enfriamiento y remover continuamente todas las particular de roca generadas con la perforación; se requiere una
Velocidad del aire de limpieza de 5000 a 7000 fpm y una caída de presión de descarga de por lo menos 40 psi, que se descompone como sigue:
Mínima caída de presión en la broca = 25 psi
Perdidas en las tuberías y manguera = 10 psi
Margen de seguridad = 5 psi
--------
Presión de descarga en la compresora = 40 psi
COMO REMOVER E INSTALAR LAS TOBERAS
COMO REMOVER E INSTALAR LAS TOBERAS
COMO REMOVER E INSTALAR LAS TOBERAS
BROCAS DE DIENTE DE ACERO
CAÍDA DE PRESIÓN A TRAVÉS DE LA BROCA DE DIENTES DE ACERO, CON
VARIOS TAMAÑOS DE TOBERAS
BROCAS DE INSERTOS DE CARBURO DE TUNGSTENO
Volumen estándar de aire entregado en cfm
CAÍDA DE PRESIÓN A TRAVÉS DE LA BROCA PARA VARIOS TAMAÑOS DE
TOBERAS
DETALLES DE DISEÑO DE BROCAS ROTARY
• En el diseño de brocas rótary, la principal limitación es el espacio,
ya que el tamaño de los componentes está determinado por el
diámetro del taladro.
• Los diferentes componentes: el espesor de los conos, el tamaño de
los dientes o insertos, el diámetro de los rodajes, y la estructura de
soporte deben estar bien balanceados para resistir el severo uso,
que incluye: la abrasión, la presión sobre el fondo, y la temperatura
que soporta la broca.
• Para determinar el contorno de los conos: ángulo interno del cono,
tamaño y ángulo de los dientes o insertos, longitud y ángulo del
talón, así como el ángulo del pin, se deben balancear las
dimensiones de estos elementos , a fin de optimizar su diseño.
TERMINOLOGY OF ROCK BIT ELEMENTS
CONTINUA DETALLES DE DISEÑO
• Finalmente los ejes de los conos están desplazados del
eje de la broca a fin de ahorrar espacio y lograr una
acción de arrastre y desgarre de la roca luego de haber
sido vencida su resistencia a la compresión.
• Los rodajes son fabricados con aleaciones de acero al
NI, Cr, Mo, y deben ser del mayor tamaño y número
posible, para reducir su carga unitaria, prevenir su fatiga,
pero sin comprometer el espesor de los conos, siendo
forjados, templados y pulidos con grán precición.
COPNTINUA DETALLES DE DISEÑO
• Los requerimientos metalúrgicos para cada uno de loscomponentes de la broca, sujetos a enormes cargas,alto desgaste por abrasión e impacto, deben serfabricados con aleaciones cuidadosamenteprocesadas utilizando revestimiento y endurecimientocon aleaciones de carburo de tungsteno, para resistir losenormes esfuerzos a que son sometidas.
• Los dientes de los conos son fabricados con acero alNi-Mo, forjados y carburizados con doble templado.
• Los conos con insertos de carburo de tungsteno sonfabricados con aceros especiales , forjados,carburizados y templados en aceite.
En los cuadros siguientes se explica tanto los aspectos de diseño, los tipos de
broca y las formaciones que pueden perforarse con dichos tipos de broca
Existen básicamente 4 tipos de brocas: B para perforaciones suaves, medias,
duras, duras y abrasivas
Brocas estándar de diente de acero en relación a las formaciones
perforadas y aspectos básicos de diseños
Brocas de inserto de carburo de tungsteno en relación a las formaciones
perforadas y aspectos básicos de diseño
BROCAS DE DIENTES DE ACERO
BROCAS DE INSERTO DE CARBURO DE TUNGSTENO
Las brocas de inserto de carburo de tungsteno perforan 4 a 10 veces mas ft/brocas que las de dientes
de acero, igualmente su velocidad de penetración es mayor, se recomienda no exceder la presión de
2,000 a 4,000 lb/in de diámetro de broca igualmente la velocidad de rotación deben mantenerse entre
50 y 80 RPM`s en caso contrario dañarían los rodajes y conos de las brocas.
Ejercicio para resolver:
Para la perforadora 60R del ejercicio resuelto,
perforando: en roca dura, con brocas de 12 ¼ Φ,
tubos de perforación de 10 ¾ Φ, a 3,900 msnm,
si se requiere una velocidad anular de limpieza
de 5,000 ft/min. ¿Calcular capacidad de la
compresora (CFM), el diámetro de pitones y
recomendar el tipo de Brocas de inserto de
carburo de tungsteno a ser usada?
ANALISIS DE BROCAS DESCARTADAS
¡¡¡ GRACIAS!!!!