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UNIVERSIDAD NACIONAL DE CAJAMARCAFACULTAD DE INGENIERÍAESCUELAACADÉMICO PROFESIONAL DE INGENIERÍA HIDRAULICA
PERFORACIÓN Y VOLADURA
Docente
Ing. Franklin R. Montoya Toroverero
Cajamarca, Octubre 2014
¿Qué es la perforación?
Se entiende como perforación en minería la acción o
acto que, a través de medios mecánicos, tiene como
finalidad construir un agujero.
Para que esto se logre debe extraerse todo el material
destruido dentro del agujero mediante la utilización de
aire comprimido o agua. En este punto es donde se
produce la diferencia entre lo que es la perforación de
exploración y la de producción
¿Qué es la perforación?
En el primer caso la materia que se extrae sirve con el
propósito de analizar y poder determinar tipos,
calidades y cantidades de mineral para la eventual
explotación del yacimiento.
La perforación de producción, en tanto, tiene por
finalidad cargar los agujeros con explosivos y generar
la voladura para poder quebrar la roca y así ir
avanzando con la explotación de la mina.
Ciclo de Trabajo
- Perforación
Desarrollos y Preparaciones - Voladura
(frentes) - Acarreo
- Transporte
- Perforación
- Voladura
Explotación (tajos) - Extracción
- Relleno
- Transporte
Los sistemas de penetración de la roca que han sido
desarrollados y clasificados por orden de aplicación
son:en minería y obra
pública la
perforación se
realiza
actualmente, de
una forma casi
general, utilizando
la energía
mecánica.
La perforación se basa en principios mecánicos de percusión y
rotación , cuyos efectos de golpe y fricción trituran la roca
Por percusión
simple
(cincelado)
Perforación
Por percusión y rotación(corte y
cincelado)
Por rotación y
tritruración (giro
y peso de la
barra)
La técnica de perforación consiste en realizar un movimiento
alternativo de bajada y subida de una masa pesada que en su
caída va fracturando o disgregando la roca, desprendiendo de
los mismos trozos de variado tamaño, que después se extraen
por medio de una válvula o cuchara de limpieza. Es una técnica
válida para cualquier tipo de material, sobre todo rocas
consolidadas.
El concepto básico de la perforación a percusión es el de
un elemento metálico que golpea y deshace la formación (pico o
trépano), y un elemento que recoge el terreno triturado (pala o
cuchara de válvula). Con las nuevas y potentes sondas de
percusión los rendimientos son espectaculares.
Perforación percusión
Ventajas:
Mayores diámetros (1100 mm = 110 cm) que permite
mayor maniobrabilidad en trabajos posteriores como
bombeo de agua.
Perfecta verticalidad.
Profundidades de hasta 800 m.
Produce muestras de gran calidad que permiten evaluar
con precisión la naturaleza de los terrenos atravesados.
Puede perforar cualquier tipo de terreno.
No presenta problemas en terrenos muy fisurados donde
otros sistemas resultan inoperativos.
Costos relativamente bajos de maquinaria, operacional y
de mano de obra.
Pueden instalarse los equipos en áreas de accesibilidad
compleja y trabajar en condiciones climáticas extremas.
Inconvenientes:
Requiere personal altamente calificado.
El avance es más lento aunque en perforaciones poco
profundas es equiparable al de una máquina rotativa.
Es sensiblemente más lenta que los sistemas
alternativos.
En terrenos poco consolidados la necesidad de utilizar
tuberías auxiliares de revestimiento limita las
profundidades (diámetros de perforación).
Inconvenientes:
Requiere personal altamente calificado.
El avance es más lento aunque en perforaciones poco profundas
es equiparable al de una máquina rotativa.
Es sensiblemente más lenta que los sistemas alternativos.
En terrenos poco consolidados la necesidad de utilizar tuberías
auxiliares de revestimiento limita las profundidades (diámetros de
perforación).
Perforación rotación
•La apertura en Estados Unidos de grandes
explotaciones de carbón a cielo abierto, con espesores
de recubrimiento que alcanzaban hasta 40 m, y la
aparición en el mercado de un explosivo a granel barato
y de gran eficiencia energética como el ANFO, fueron
acontecimientos que impulsaron a los fabricantes de
perforadoras a diseñar equipos de gran capacidad,
capaces de alcanzar elevadas velocidades de
penetración.
Simultáneamente, se comenzaron a utilizar de forma
generalizada en la minería las bocas denominadas
triconos, desarrolladas en el campo del petróleo desde
1907, y a aplicar el aire comprimido como fluido de
evacuación de los detritus formados durante la
perforación.
Este método de perforación es muy versátil, ya que abarca
una amplia gama de rocas, desde las muy blandas, donde
comenzó su aplicación, hasta las muy duras, donde han
desplazado a otros sistemas, como es el caso de la
perforación térmica (Jet Piercing) en las taconitas.
Las perforadoras rotativas están constituidas esencialmente
por una fuente de energía, una batería de barras o tubos,
individuales o conectadas en serie, que transmiten el peso,
la rotación y el aire de barrido a una boca con dientes de
acero o insertos de carburo de tungsteno que actúa sobre la
roca.
El principio de perforación de estos equipos se basa en el
impacto de una pieza de acero (pistón) que golpea a un útil
que a su vez transmite la energía al fondo del barreno por
medio de un elemento final (boca). Los equipos roto-
percutivos se clasifican en dos grandes grupos, según donde se
encuentre colocado el martillo:
Perforación por roto-percusión
Atendiendo a la Resistencia a Compresión de las rocas y al diámetro de
perforación, se pueden delimitar los campos de aplicación de los diferentes
métodos tal como se refleja en la Fig1.1.
Ventajas:
Perforación por Aire reversoEl sondaje por aire reverso utiliza como fluido
principal, para el barrido de los detritus, aire
comprimido, el que es dirigido hacia el fondo del
pozo a través de barras de doble pared, y permite
recuperar los ripios u detritus producidos en el
fondo con un mínimo de contacto con las paredes
del pozo (poca contaminación)
•La perforación con aire reverso es
fundamentalmente diferente de la de diamantina,
tanto en términos de equipo y toma de muestras.
•La principal diferencia es que la perforación de
aire reverso crea pequeñas astillas de roca en lugar
de un testigo sólido.
•Otras diferencias importantes son en la tasa de
penetración y el costo por metro perforado.
•El aire reverso es mucho más rápido que la
perforación diamantina, y también mucho menos
costosa.
•La perforación con aire reverso es
fundamentalmente diferente de la
de diamantina, tanto en términos
de equipo y toma de muestras.
•La principal diferencia es que la
perforación de aire reverso crea
pequeñas astillas de roca en lugar
de un testigo sólido.
•Otras diferencias importantes son
en la tasa de penetración y el costo
por metro perforado.
•El aire reverso es mucho más
rápido que la perforación
diamantina, y también mucho
menos costosa.
La herramienta gira y corta un testigo de roca (testigo) a medida que
profundiza. Dicho cilindro de roca queda contenido dentro del tubo
portatestigo. A medida que se profundiza, se van agregando varillas al
sistema. El problema es que cuando el portatestigo está lleno (3 m), hay
que retirar el varillaje que se ha ido agregando progresivamente. Cuando
se han perforado muchos metros, por ejemplo, más de 100, toma tiempo
recuperar el tubo portatestigo, y recordemos, el tiempo es dinero. Para
remediar esto se puede utilizar un tubo portatestigo conectado con un
cable a superficie (wireline core barrel), pero en ese caso, el diámetro del
testigo será inferior.
Perforación Diamantina
Los componentes principales de un sistema de perforación
de este tipo son:perforadora
barreno
broca
Fluido de barrido
perforadora
la perforadora que es la fuente
de energía mecánica.
el varillaje o barreno que es el medio de
transmisión de esa energía.
la boca o broca que es el útil que
ejerce sobre la roca dicha energía
el fluido de barrido que efectúa la limpieza
y evacuación del detrito producido
Sección del taladro:
Espaciadores inertesTaco inerte
Cordón detonante
Cebo
Partes de un taladro
Accesorios de Perforación- Barrenos 2’, 4’ 6’ 8’
- Barretilla
- Saca barrenos
- Cucharilla
- Atacador de madera
- Llave stilson
- Aceite
- Fósforo o chispero
EQUIPOS DE PERFORACIÓN
1. Manuales
De percusión con aire comprimido, para huecos
pequeños (25 a 50 mm de diámetro), para trabajo
horizontal o al piso (jack leg) o para huecos verticales al
techo (stopers).
Actualmente se emplean tres tipos de máquinas perforadoras
2. Mecanizadas
De percusión y de roto percusión, montadas en chasis
sobre ruedas u orugas. Para huecos hasta 150 mm y 20 m
de profundidad. Ejemplo los wagondrill, track drill y
jumbos neumáticos o hidráulicos, que emplean barrenos
acoplables con brocas intercambiables
3. Mecanizadas rotatorias
Generalmente de grandes dimensiones para uso en
tajos abiertos, montadas sobre camión o sobre
orugas con traslación propia, con motor rotatorio
independiente y perforacion por presión con brocas
rotatorias.
DISEÑO DE UNA MALLA
Los trabajos perforación depende de un diseño de malla
adecuado:
Por otro lado, los tipos de trabajo, tanto en obras de superficie
como subterráneas, pueden clasificarse en los siguientes grupos:
a) Perforación de banqueo.
b) Perforación de avance de galerías y túneles.
c) Perforación de producción.
d) Perforación de chimeneas.
e) Perforación de rocas con recubrimiento.
f) Sostenimiento de rocas.
a) Perforación de banqueo.
Perforaciones verticales oinclinadas utilizadaspreferentemente enproyectos a cielo abierto yminería subterránea(L.B.H.) (long blast hole).Este tipo de perforación seemplea, en general, para laminería a cielo abierto ypara algunos métodos deexplotación subterránea,como el hundimiento porsubniveles.
b) Perforación de avance de galerías
y túneles. Perforaciones preferentemente horizontales llevadas a cabo en
forma manual o mecanizada. Los equipos y métodos varíansegún el sistema de explotación, pero por lo general, paraminería en gran escala subterránea se utilizan los equipos deperforación llamados "jumbos", que poseen desde uno a tres omás brazos de perforación y permiten realizar las labores demanera rápida y automatizada.
c) Perforación de producción.
Con este nombre se
conoce al conjunto de
trabajos de extracción del
mineral que se realiza en
las explotaciones mineras.
Una perforación de
producción corresponde a
la que se ejecuta para
cumplir los programas de
producción que están
previamente establecidos.
d) Perforación de chimeneas.
Raise Boring
Se trata de las labores verticales, que son muy utilizadas en minería subterránea y en
obras civiles. En ellas se emplean métodos de perforación especiales
Ja
ula
tre
pa
do
ra A
lima
k
e)Perforación de rocas con
recubrimiento.
Se utiliza por ejemplo,
en perforación de pozos
de captación de aguas y
perforaciones
submarinas.
f) Sostenimiento de rocas
Utilizado para la colocación de pernos de anclaje en
labores subterráneas principalmente.
Desarrollo de la perforación en minería
Propiedades de las rocas que
afectan a la perforación Las principales propiedades físicas más importantes de las
rocas que influyen en los mecanismos de penetración yconsecuentemente en la elección del método de perforaciónson:
Dureza
Resistencia
Elasticidad
Plasticidad
Abrasividad
Textura
Estructura
Características de rotura
dureza Se entiende por dureza la
resistencia de una capasuperficial a la penetraciónen ella de otro cuerpo másduro.
La dureza de las rocas esel principal tipo deresistencia a superardurante la perforación,pues cuando se logra lapenetración del útil elresto de las acciones sedesarrollan fácilmente.
Escala de Mohs
dureza
Resistencia
Se llama resistencia mecánica de una roca a la
propiedad de oponerse a su destrucción bajo una carga
exterior, estática o dinámica.
Las rocas oponen una resistencia máxima a la
compresión.
La resistencia de las rocas depende fundamentalmente
de su composición mineralógica.
Resistencia a la compresión simple
Elasticidad
La mayoría de los minerales constituyentes de las
rocas tienen un comportamiento elástico-frágil, que
obedece a la Ley de Hooke, y se destruyen cuando las
tensiones superan el límite de elasticidad
elasticidad
Plasticidad
En algunas rocas, a la destrucción le precede la
deformación plástica.
Esta comienza en cuanto las tensiones en la roca
superan el límite de elasticidad.
La plasticidad depende de la composición mineral de
las rocas y disminuye con el aumento del contenido de
cuarzo, feldespato y otros minerales duros. Las arcillas
húmedas y algunas rocas homogéneas poseen altas
propiedades plásticas.
Abrasividad
La abrasividad es la capacidad de las rocas para
desgastarla superficie de contacto de otro cuerpo más
duro, en el proceso de rozamiento durante el
movimiento.
Esta propiedad influye mucho en la vida de los útiles
de perforación.
Abrasividad.- En la Tabla 1.2 se indican algunos
contenidos medios de diferentes tipos de roca.
Textura
La textura de una roca se refiere a la estructura de los
granos de minerales constituyentes de ésta. Se
manifiesta a través del tamaño de los granos, la forma,
la porosidad, etc. Todos estos aspectos tienen una
influencia significativa en el rendimiento de la
perforación.
Como los granos tienen forma lenticular, como en un
esquisto, la perforación es más difícil que cuando son
redondos, como en una arenisca.
Estructura
Las propiedades estructurales de los macizos rocosos,
tales como esquistosidad, planos de estratificación,
juntas, diaclasas y fallas, así como el rumbo y el
buzamiento de éstas afectan a la linealidad de los
barrenos, a los rendimientos de perforación y a la
estabilidad de las paredes de los taladros.
En la Fig. 1.7 se clasifican los macizos rocosos a partir
del espaciamiento entre juntas y la resistencia del
material rocoso.
Los parámetros más importantes son, por ejemplo, la
presión sobre la corona, el par de rotación, la velocidad de
rotación, velocidad de penetración, y la presión de fluido.
Estos parámetros pueden combinarse mediante ecuaciones
más complejas, para obtener otros parámetros como la
energía específica, que pueden correlacionarse con las
propiedades geomecánicas del terreno.
Parámetros de perforación Velocidad de rotación (rpm)
Fuerza de empuje
Diámetro de perforación
Velocidad y caudal del aire de barrido
Desgaste de los trépanos
Dureza o resistencia de la roca
Velocidad de Rotación
En principio, conceptualmente la velocidad de rotación
es inversamente proporcional a la resistencia a
compresión de la roca. Sin embargo, hay que tener en
cuenta que la velocidad de rotación también varía en
función de la marcha en la que se esté trabajando. Por
eso, es mejor tener en cuenta el par motor, que para su
cálculo ya se introducen las variables de la presión de
la bomba hidráulica, la marcha, y la velocidad de
rotación.
Fuerza de empuje y diámetro de
perforación
La fuerza de empuje que es necesario aplicar aumentadirectamente con la dureza de la roca, y debe alcanzaruna magnitud suficiente para sobrepasar su resistenciaa la compresión.
Por otra parte, esta fuerza no puede exceder undeterminado valor límite, para evitar dañosprematuros en la cabeza de perforación.
En formaciones rocosas duras o muy duras, una fuerzaexcesiva conduce a la incrustación de la cabeza yconsecuente destrucción, lo que significa el término dela vida útil de la herramienta.
Fuerza de empuje y diámetro de
perforación
A su vez, a mayor diámetro de perforación, más grande
es la cabeza de la barrena y por consiguiente mayor la
superficie a perforar por lo que ofrecerá mayor
resistencia.
En suma, la fuerza de empuje es función de dos
variables: la dureza de la roca y el diámetro de
perforación.
Velocidad y caudal del aire de barrido
Velocidad de rotación.-
Mientras el barrido es
perfecto, la velocidad de
avance (Va) es
linealmente
proporcional a la
velocidad de rotación.
(Véase figura 3.1).
En la práctica, a medida que Va aumenta, el barrido se torna ineficiente.
Velocidad de avance vs. Parámetros de perforación
Velocidad y caudal del aire de barrido
Fuerza de empuje.-
Mientras el barrido es
perfecto, la velocidad de
avance (Va) aumenta
exponencialmente con la
fuerza de empuje.
En la práctica, a medida que Va aumenta, el barrido se torna deficiente.
Velocidad de avance vs. Parámetros de perforación
Desgaste del tricono
La velocidad de avance
decrece
exponencialmente con el
desgate del tricono.
Los explosivos convencionales y los agentes explosivos poseen
propiedades diferenciadoras que los caracterizan y que se aprovechan
para la correcta selección, atendiendo al tipo de voladura que se desea
realizar y las condiciones en que se debe llevar a cabo.
Las propiedades de cada grupo de explosivos permiten además predecir
cuáles serán los resultados: fragmentación, desplazamiento y vibraciones
más probables.
Por ello los explosivos están presentes en los trabajos de minería, la
construcción y la industria, tanto es así, que su uso los hace muy
peligrosos si no se manipulan de acuerdo a las normas, es por esto que el
conocerlo y estudiarlos nos dan una ventaja a la hora de relacionarnos
con ellos.
Explosivos
Ingeniería Geológica
Explosivos Industriales
Explosivos Rápidos y
Detonantes:
Con velocidades entre
2.000 y 7.000 m/s.
Los explosivos químicos industriales se clasifican en
dos grandes grupos según la velocidad de su onda
de choque.
Explosivos Lentos y
Deflagrantes:
Con menos de 2.000
m/s.
Tipos de explosivos
Ingeniería Geológica
Explosivos Deflagrantes
Los deflagrantes comprenden a las pólvoras,
compuestos pirotécnicos y compuestos propulsores
para artillería y cohetería, casi sin ninguna
aplicación en la minería o ingeniería civil, salvo en
el caso de rocas ornamentales.
Ingeniería Geológica
Explosivos Detonantes
1
Los Primarios por su alta
energía y sensibilidad se
emplean como iniciadores para
detonar a los Secundarios,
entre ellos podemos mencionar
a (fulminato de mercurio,
pentrita, hexolita, etc.).
2
Los Secundarios son los
que se aplican al arranque
de rocas y aunque son
menos sensibles que los
Primarios desarrollan mayor
trabajo útil.
Los explosivos detonantes se
dividen en Primarios y
Secundarios según su aplicación.
Ingeniería Geológica
Explosivos Industriales
A. Agentes Explosivos:
Estas mezclas no llevan, salvo
algún caso, ingredientes
intrínsecamente explosivos.
Anfo
Alanfo
Hidrogeles
Emulsiones
Anfo Pesado
Los explosivos industriales se dividen a su vez en
dos grandes grupos, en orden de importancia por
nivel de consumo.
B. Explosivos Convencionales:
Precisan para su fabricación de
sustancias intrínsecamente
explosivas que actúan como
sensibilizadores de las mezclas.
Gelatinosos
Pulverulentos
De Seguridad
PROPIEDADES DE LOS
EXPLOSIVOS
1. Fuerza
Capacidad de trabajo útil de un explosivo, es común referirse a ella
como potencia.
2. Densidad de Empaque
Esta medida se expresa con la cantidad de cartuchos por caja de 25
kg.
3. Velocidad de detonación:
Es la velocidad con la cual la onda de detonación viaja por el
explosivo, se expresa en metros por segundo.
4. Sensibilidad:
Es el mínimo de energía, presión o potencia que es necesaria para
que surja la iniciación.
5. Resistencia al agua:
Capacidad del explosivo para resistir el contacto o sumergimiento
en agua sin que esto afecte su capacidad de detonación.
6. Emanaciones
En la construcción se conoce como emanaciones a los gases
tóxicos.
7. Inflamabilidad
Es la facilidad con que un explosivo responde a una llama o calor.
Los explosivos
convencionales y
los agentes
explosivos poseen
propiedades
diferenciadoras
que los
caracterizan y que
se aprovechan
para su correcta
selección,
Las características
más importantes
son: potencia y
energía
desarrollada,
velocidad de
detonación,
densidad, presión
de detonación,
resistencia al agua
y sensibilidad.
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