Apuntes Perforación

8/18/2019 Apuntes Perforación

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Perforación

1. INTRODUCCIÓN

La perforación y voladura es una técnica aplicable a la extracción de roca enterrenos competentes, donde los medios mecánicos no son aplicables de unamanera rentable. Así, partiendo de esta definición, este método es aplicable a

cualquier método de explotación, bien en minería, bien en obra civil, donde seanecesario un movimiento de tierras.

La técnica de perforación y voladura se basa en la eecución de perforaciones en laroca, donde posteriormente se colocarán explosivos que, mediante su detonación,transmiten la ener!ía necesaria para la fra!mentación del maci"o rocoso aexplotar.

#e esta forma, se tienen dos tecnolo!ías claramente diferenciadas$ la tecnolo!íade la perforación y la tecnolo!ía de dise%o y eecución de voladuras.

Las técnicas de perforación, además de la aplicación a la eecución deperforaciones para voladuras, se emplean para multitud de aplicaciones, comopuede ser la exploración, drenaes, sostenimiento, etc.

La perforación en roca &a ido evolucionando con el tiempo con la incorporación y

empleo de diferentes tecnolo!ías, aunque muc&as &an ido cayendo en desuso,bien por la eficiencia conse!uida, o bien por otros condicionantes externos'económicos, medioambientales, etc.(. Las más empleadas y desarrolladas sebasan en sistemas de perforación mecánicos, conocidos como sistemas deperforación “a rotación” y “a percusión” . )on estos métodos, cuya eficacia seenmarca en ener!ías específicas por debao de los 1.*** +cm

-, los que serán más

ampliamente descritos y desarrollados en este libro.

xiste una relación intrínseca entre la perforación y la voladura, ya que puede

afirmarse cate!óricamente que “una buena perforación posibilita una buenavoladura, pero una mala perforación asegura una mala voladura. )e entiendepor buena perforación aquella que se &a &ec&o con los medios y técnicas más


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adecuadas y que además se &a eecutado de forma correcta. Asimismo una buenavoladura será aquella que cumple con el obetivo para que el que fue dise%ada.


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/. !I!T"#$! D"%"R&OR$CIÓN

$ %"RCU!IÓN

sta denominación en!loba todas aquellas formas de perforación en las que lafra!mentación de la roca se produce básicamente por impacto de un 0til de filo máso menos a!u"ado sobre la misma.

Los sistemas de percusión simple son todavía utili"ados en al!unos equipos vieosde perforación de po"os de a!ua 'perforadoras de cable(, que básicamenteconsisten en un trépano en forma de cuc&illa con el filo inferior más o menosa!u"ado y que, suspendido de un cable, se dea caer sobre el fondo del po"o. éste fondo se retiran periódicamente los fra!mentos producidos mediante un 0tilespecial 'cuc&ara( que los reco!e unto con una cierta cantidad de a!ua que sea%ade para facilitar la operación. ste sistema se encuentra en la actualidadtotalmente obsoleto.

Los sistemas que se van a abordar en éste capítulo y que se utili"an actualmenteson rotopercusivos, en los que además de la percusión proporcionan al 0til de corteun movimiento de rotación y una relativamente peque%a fuer"a de empue para unatransmisión de la ener!ía más efica".

n estos sistemas la velocidad de perforación es proporcional a la potencia depercusión 'producto de la ener!ía de impacto por la frecuencia de !olpes(. n


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cambio, la rotación y el empue son meras acciones auxiliares que, siempre ycuando se superen unos valores mínimos necesarios para espaciar convenientemente los puntos de incidencia de los impactos y mantener el 0til deperforación en contacto con la roca, influyen relativamente poco en la velocidad de

perforación.

l martillo es el elemento que proporciona la percusión mediante el movimientoalternativo de una pie"a de c&oque, que es el pistón, que sucesivamente !olpeasobre el utillae de perforación. l pistón puede ser accionado por aire comprimido'perforación neumática( ó por aceite &idráulico 'perforación &idráulica(.


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J. Bernaola Alonso - J. Castilla Gómez - J. Herrera

/.1. %OT"NCI$ D" %"RCU!IÓN

#ado que la 0nica forma técnicamente aceptable de valorar un martillo perforador es su potencia de percusión y su eficiencia, es conveniente describir y anali"ar losaspectos que definen ésta potencia, las distintas formas que existen de medirla ylos parámetros de los que depende.

La fi!ura 1 representa esquemáticamente el mecanismo de percusión de unmartillo. ste mecanismo consta de una pie"a móvil 'pistón( que se despla"a conun movimiento de vaivén en el interior de una cámara 'cilindro( por la acción queun fluido a presión 'aire ó aceite( eerce sobre una determinada superficie 'área detrabao(. La lon!itud de este despla"amiento que en !eneral es una constante dedise%o se denomina carrera.

l cálculo de la ener!ía de impacto 2 podría &acerse de dos formas$


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Figura 1:Potencia de percusión. Parámetros

J. Bernaola Alonso - J. Castilla Gómez - J. Herrera

• 3na primera sería &aciendo el cálculo del trabao reali"ado sobre el pistónmediante la si!uiente expresión$

= ∙

)iendo$

Pm 4 Presión media efectiva del fluido. A 4 5rea de trabao del pistón.L 4 6arrera.


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• 7tra forma de &acerlo, que descontaría las pérdidas por ro"amiento, seríamediante el cálculo de la ener!ía cinética del pistón al final de su carrera$

=� ∙ ∙

)iendo$

8 48asa del pistón.9 4 9elocidad del pistón al final de la carrera.

:eneralmente, es bastante aproximado suponer que$

= ∙ ; (


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sta relación indica que la presión del fluido de accionamiento y el área de trabaodel pistón son los parámetros que más inciden en la potencia de percusión delmartillo. Las tres variables 8, A y L son variables de dise%o sobre las que eloperador no puede actuar. )in embar!o, sí podrá &acerlo sobre la presión del fluidode accionamiento para obtener una !ama de potencias de percusión, se!0n

requiera cada aplicación en concreto.


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1

xiste a0n una tercera forma de calcular la ener!ía de impacto mediante el re!istrode los esfuer"os de compresión !enerados por la onda de c&oque que recorre el

varillae. llo dará lu!ar a un re!istro como el que se representa en la fi!ura /,donde varios trenes de ondas, tanto incidentes como refleadas, recorren el varillaeen ambos sentidos. n dic&a fi!ura puede apreciarse por un lado la onda incidenteque es ló!icamente de compresión y también, un cierto tiempo después, la ondarefleada, que tiene dos partes$ una primera de tracción que se corresponde con lapenetración de la broca en el terreno y otra de compresión que es la reacción queproduce la roca en el instante en que cesa esta penetración.

La ener!ía de una onda puede calcularse mediante la fórmula$


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Figura !: "s#uerzos sore el $arilla%e

1

∙ 2

2

3 =

�

donde$

) 4 )ección del varillae.


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c 4 9elocidad de propa!ación de la onda.> 4 8ódulo de >oun!.

f 4 sfuer"o unitario de compresión sobre el varillae.t 4 ?iempo.

La diferencia de ener!ía entre la onda incidente y la refleada representa la ener!íatransmitida a la roca.

;aturalmente el valor - correspondiente a la ener!ía de la onda de compresiónincidente y que se &a calculado de esta manera, sería inferior a los dos anteriorespues se &abrían descontado las pérdidas de ener!ía en el c&oque del pistón con elvarillae.

/./. %"R&OR$CIÓN N"U#'TIC$

l fluido de accionamiento en el caso de la perforación neumática es airecomprimido a una determinada presión, normalmente de valores comprendidosentre @ y / bar.

xisten dos alternativas$

1. Bue la percusión se produ"ca fuera del taladro y se transmita a la broca através de la sarta de varillae (martillo en cabe)a*+

/. Bue el martillo se sit0e en el fondo del taladro, !olpeando así el pistóndirectamente sobre la broca (martillo de fondo*+


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La disposición de los distintos elementos en cada una de estas alternativas es laque se indica en la fi!ura -.


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2.2.1. P"&F'&A('&A) C'* +A&,' "* CAB"/A

)on perforadoras cuyo martillo está dise%ado para trabaar mediante aire a @ C D

bar de presión máxima. 6omo consecuencia, y al obeto de disponer de unaener!ía de impacto suficiente, el área de trabao del pistón &a de ser !rande'tén!anse en cuenta que la ener!ía de impacto viene dada por el producto de tres


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Figura 0:(isposición de elementos en per#oración neumática

factores$ presión efectiva, área y carrera del pistón(. l perfil lon!itudinal del pistóntiene por tanto forma de ?, tal y como se puede apreciar en la fi!ura E.

l martillo en cabe"a, como puede verse indicado en la fi!ura -, incorpora tambiénel mecanismo de rotación que a su ve" puede ser independiente o no del depercusión en función de los tama%os y dise%os. l empue lo proporciona el motor de avance 'neumático( que a su ve" acciona una cadena a la que va en!anc&ado


16/35Figura : +artillo neumático

el martillo y que de esta forma desli"a sobre un bastidor denominado corredera2 odesli"adera2. l conunto !eneralmente queda montado sobre un c&asis que sirve

de portador para el resto de elementos que proporcionan todos los movimientos deposicionamiento y traslación.

La fuente de ener!ía primaria para la percusión es el aire comprimido que a su ve"es suministrado por un compresor incorporado en el equipo de perforación. n

modelos más anti!uos, el aire comprimido era suministrado desde una unidadcompresora independiente y remolcable, ya que disponía de sus propias ruedas yque se conectaba a la perforadora mediante una man!uera. sta unidad podíasituarse a una distancia de unos /* F E* m de la perforadora para que las pérdidasde presión no fueran excesivas 'fi!ura (.


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2.2.2. P"&F'&A('&A) C'* +A&,' "* F'*('

)on perforadoras en las que, a diferencia de los martillos en cabe"a, el elementoque proporciona la percusión o martillo va situado en el interior del taladro eincorpora 0nicamente el mecanismo de percusión 'los elementos que proporcionanla rotación y el empue son del todo independientes y están situados en superficie(como se indica en la fi!ura -. l c&asis y los restantes elementos son similares alos mencionados para las perforadoras de martillo en cabe"a, e incluyen también el


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Figura 2:(isposición de e3uipos de per#oración:

Con martillo en caeza 4iz35 6 con martillo en #ondo 4drc7a5.

compresor y la cabina para el operador 'fi!ura G(.

l martillo tiene forma cilíndrica y su mecanismo de percusión funciona de formasimilar a como se muestra en la fi!ura H. La posición a2 muestra el inicio de lacarrera ascendente del pistón. l aire a presión abre la válvula antirretorno situadaen la parte superior del martillo y entra en el tubo central distribuidor. #e las tresoquedades de salida de éste, sólo la central se encuentra abierta, de forma que el


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aire lle!a a la parte inferior del pistón a través de uno de los conductos internos delmismo y lo impulsa &acia arriba. n la posición b2 el pistón se encuentra en la

parte superior y a&ora es la oquedad inferior la 0nica que se encuentra abierta. Asíel aire lle!a a la parte superior del pistón a través del otro conducto y lo impulsa&acia abao.


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Figura 8: Funcionamiento del martillo en #ondo

Por 0ltimo la posición c2 ilustra el caso en que el martillo no está perforando, encuyo caso la broca no apoya sobre el terreno y tanto ella como el pistón seencuentran en una posición más baa. n estas circunstancias el aire sale por lalumbrera superior y, por el interior del pistón, se comunica con los orificios debarrido de la broca, reali"ando un soplado del barreno sin accionar el mecanismo


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de percusión del martillo, evitando así la percusión en vacío.

l &ec&o de situar el martillo en el fondo del taladro impone una serie delimitaciones !eométricas, de las cuales qui"á la más si!nificativa es una importantereducción del área de trabao del pistón. A modo de eemplo, si para un diámetrode perforación de 1*E mm el martillo en cabe"a adecuado tiene de 1* a /** mmde diámetro de pistón y un área de trabao de 1@ a -** cm

/, el martillo en fondo

correspondiente a ese diámetro de perforación apenas podría tener un pistón de @*mm de diámetro y un área de trabao CH veces menor que la mencionadaanteriormente.

sto si!nifica que la ener!ía de impacto y la consecuente potencia de percusión deun martillo en fondo son, en !eneral, inferiores a la disponible con un martillo encabe"a para i!ual diámetro de perforación. #e esta forma, la 0nica manera decompensar esta desventaa que supone la peque%a área de trabao del martillo enfondo, es dise%ar estos martillos de modo que sean capaces de utili"ar aire amedia '1* C 1E bar( ó alta presión '1@ C / bar(.

Las restricciones que impone el martillo en fondo, en cuanto al diámetro de pistón,

son mayores en los peque%os diámetros de perforación. Por ello puede afirmarseque los martillos en fondo de mayor diámetro son más efectivos que los depeque%o diámetro. =!ualmente puede decirse que para diámetros de perforacióninferiores a D* mm no existen martillos en fondo con un rendimiento aceptable.

)in embar!o, no todo son desventaas para el martillo de fondo. ste sistema tienetambién importantes ventaas en comparación con el martillo de cabe"a neumático,como son$

• 9elocidad de perforación prácticamente constante e independiente de laprofundidad. )in embar!o, con el martillo en cabe"a se pierdeaproximadamente entre un y un 1*I de la ener!ía disponible en cadavarilla, de forma que la velocidad de perforación va disminuyendo con laprofundidad en i!ual proporción.

• 8eor aprovec&amiento de la ener!ía neumática al aprovec&ar el escapedel martillo como aire de barrido para la evacuación del detritus.


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• 8enor nivel de ruido.

• 8enor fati!a en las varillas de la sarta de perforación.

• 8enores desviaciones.


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2.2.3. P"&F'&AC9* (" &"CB&+"*,'). )),"+A '(";

A la &ora de atravesar materiales de recubrimiento alterados suele ser frecuenteque sea necesario revestir el sondeo y es usual emplear técnicas de perforación yentubado simultáneo '7#JC7verburden #rillin! Kit& ccentric #rillin!(.

2.2.4. C'+P&")'&")


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Figura


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Figura =:(iagrama de compresor de pistón 4iz3uierda5 6 de paletas 4derec7a5

4Fuente: Atlas Copco5

que se mueven radialmente dentro de las ranuras en que se aloan acoplándose alas paredes del cilindro. #e esta forma, al !irar, aprisionan el aire confinándolo

cada ve" en espacios más reducidos, &asta que finalmente el aire comprimido salepor una lumbrera de escape.

l sistema de tornillo '


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Figura >:

Principio de #uncionamiento 6 sección un de compresor detornillo 4Atlas Copco5


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Fi ura 1?: +artillo 7idráulico

2

+-+ %"R&OR$CIÓN .IDR'U/IC$

Las perforadoras de martillo en cabe"a &idráulico 'no existen en la actualidadmartillos en fondo &idráulicos(, funcionan con aceite &idráulico a 1**C/* bar depresión. sta presión, que es de 1 a - veces superior a la del aire que alimentalos martillos neumáticos, permite en los martillos &idráulicos que el área de trabaodel pistón sea muy peque%a y prácticamente reducida a un insi!nificante resalte delmismo, por lo que adquiere un perfil lon!itudinal casi rectan!ular y muy estili"ado'


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2

varillae incluso al!o menor.

#e esta manera puede aplicarse de un * a un 1** I más de potencia depercusión sobre el varillae sin incrementar la fati!a del mismo. ste aumento depotencia permite perforar más rápidamente o, lo que es más interesante a0n,


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incrementar el diámetro de perforación con una sustancial meora de la producción.

n la tabla 1 se indican las potencias de percusión aplicables normalmente a losdistintos varillaes, se!0n se trate de martillos neumáticos o &idráulicos.

Tabla 01%otencia de percusión en función del di2metro de varilla3e

Di2metro varilla3e #artillo #artillo 4idr2ulico

@D,, - NO NO

1,, J H NO NO

1 Q,, D NO 1/ NO

1 R,, 1* NO 1 NO

1 S,, 1/ NO 1D NO

/,, 1 NO // NO

)in embar!o, cabe a0n se%alar que, con los 0ltimos equipos &idráulicos, cuyo alto!rado de automati"ación permite un ri!uroso control de todos los parámetros de

perforación 'empue, rotación, etc.(, las potencias de percusión aplicables sonincluso superiores a las indicadas en esta tabla.


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La perforación &idráulica presenta además otras ventaas sobre la neumática,como son$

• 8enor consumo ener!ético. A modo de eemplo, cabe se%alar que unaperforadora &idráulica de exterior, con doble potencia que una neumática,puede tener a0n &asta un /I menos de potencia instalada debido almeor rendimiento de los equipos &idráulicos en comparación con losneumáticos.

• 8eora de las condiciones ambientales, pues al desaparecer el escape de

los martillos neumáticos, se reduce el nivel de ruido, especialmente en lasbandas de baa frecuencia, que son las menos amorti!uadas por losprotectores auditivos.


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Figura 11:Comparación de la onda de compresión en di#erentes martillos.Hidráulico 6 *eumático

• Permite un mayor !rado de automati"ación de los equipos. l carácter defluido incompresible que tiene el aceite, le permite, a diferencia de lo quesucede con el aire, detectar cualquier cambio de las condiciones de


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trabao como puede ser, por eemplo, el inicio de un atranque. stacircunstancia se refleará inmediatamente en un incremento del par

resistente y esto, a su ve", en un aumento de presión en el circuito&idráulico que !obierna la rotación, lo que permitirá dise%ar un sistemaautomático antiatranque.

La fi!ura 1/ muestra un carro &idráulico sobre oru!as para banqueo a cielo abiertoy un umbo &idráulico de tres bra"os.

n la fi!ura 1- están representados los principales componentes de un equipo deperforación &idráulico para perforación en t0nel o !alería, denominado

com0nmente umbo2.


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Figura 1!:Carro per#orador sore orugas 4iz3da.5 6 %umo 7idráulico 4drc7a.5


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Figura 10:Componentes de un e3uipo de per#oración 7idráulico 4%umo5

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