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UNIVERSIDAD NACIONAL DE CAJAMARCA FACULTAD DE INGENIERÍA ESCUELA ACADÉMICO PROFESIONAL DE INGENIERÍA HIDRAULICA PERFORACIÓN Y VOLADURA Docente Ing. Franklin R. Montoya Toroverero Cajamarca, Octubre 2014

Capt. iv perforaciones y voladura

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Page 1: Capt. iv perforaciones y voladura

UNIVERSIDAD NACIONAL DE CAJAMARCAFACULTAD DE INGENIERÍAESCUELAACADÉMICO PROFESIONAL DE INGENIERÍA HIDRAULICA

PERFORACIÓN Y VOLADURA

Docente

Ing. Franklin R. Montoya Toroverero

Cajamarca, Octubre 2014

Page 2: Capt. iv perforaciones y voladura

¿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

Page 3: Capt. iv perforaciones y voladura

¿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.

Page 4: Capt. iv perforaciones y voladura

Ciclo de Trabajo

- Perforación

Desarrollos y Preparaciones - Voladura

(frentes) - Acarreo

- Transporte

- Perforación

- Voladura

Explotación (tajos) - Extracción

- Relleno

- Transporte

Page 5: Capt. iv perforaciones y voladura

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.

Page 6: Capt. iv perforaciones y voladura

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)

Page 7: Capt. iv perforaciones y voladura

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

Page 8: Capt. iv perforaciones y voladura

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.

Page 9: Capt. iv perforaciones y voladura

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).

Page 10: Capt. iv perforaciones y voladura

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).

Page 11: Capt. iv perforaciones y voladura

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.

Page 12: Capt. iv perforaciones y voladura

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.

Page 13: Capt. iv perforaciones y voladura

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

Page 14: Capt. iv perforaciones y voladura

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.

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Ventajas:

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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.

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•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.

Page 20: Capt. iv perforaciones y voladura

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

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Los componentes principales de un sistema de perforación

de este tipo son:perforadora

barreno

broca

Fluido de barrido

Page 22: Capt. iv perforaciones y voladura

perforadora

la perforadora que es la fuente

de energía mecánica.

Page 23: Capt. iv perforaciones y voladura

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

Page 24: Capt. iv perforaciones y voladura

el fluido de barrido que efectúa la limpieza

y evacuación del detrito producido

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Sección del taladro:

Espaciadores inertesTaco inerte

Cordón detonante

Cebo

Partes de un taladro

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Accesorios de Perforación- Barrenos 2’, 4’ 6’ 8’

- Barretilla

- Saca barrenos

- Cucharilla

- Atacador de madera

- Llave stilson

- Aceite

- Fósforo o chispero

Page 27: Capt. iv perforaciones y voladura

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

Page 28: Capt. iv perforaciones y voladura

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

Page 29: Capt. iv perforaciones y voladura

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.

Page 30: Capt. iv perforaciones y voladura

DISEÑO DE UNA MALLA

Los trabajos perforación depende de un diseño de malla

adecuado:

Page 31: Capt. iv perforaciones y voladura

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.

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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.

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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.

Page 34: Capt. iv perforaciones y voladura

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.

Page 35: Capt. iv perforaciones y voladura

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

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pa

do

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lima

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Page 37: Capt. iv perforaciones y voladura

e)Perforación de rocas con

recubrimiento.

Se utiliza por ejemplo,

en perforación de pozos

de captación de aguas y

perforaciones

submarinas.

Page 38: Capt. iv perforaciones y voladura

f) Sostenimiento de rocas

Utilizado para la colocación de pernos de anclaje en

labores subterráneas principalmente.

Page 39: Capt. iv perforaciones y voladura

Desarrollo de la perforación en minería

Page 40: Capt. iv perforaciones y voladura

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

Page 41: Capt. iv perforaciones y voladura

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

Page 42: Capt. iv perforaciones y voladura

dureza

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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.

Page 44: Capt. iv perforaciones y voladura

Resistencia a la compresión simple

Page 45: Capt. iv perforaciones y voladura

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

Page 46: Capt. iv perforaciones y voladura

elasticidad

Page 47: Capt. iv perforaciones y voladura

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.

Page 48: Capt. iv perforaciones y voladura

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.

Page 49: Capt. iv perforaciones y voladura

Abrasividad.- En la Tabla 1.2 se indican algunos

contenidos medios de diferentes tipos de roca.

Page 50: Capt. iv perforaciones y voladura

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.

Page 51: Capt. iv perforaciones y voladura

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.

Page 52: Capt. iv perforaciones y voladura

En la Fig. 1.7 se clasifican los macizos rocosos a partir

del espaciamiento entre juntas y la resistencia del

material rocoso.

Page 53: Capt. iv perforaciones y voladura

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.

Page 54: Capt. iv perforaciones y voladura

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

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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.

Page 56: Capt. iv perforaciones y voladura

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.

Page 57: Capt. iv perforaciones y voladura

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.

Page 58: Capt. iv perforaciones y voladura

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

Page 59: Capt. iv perforaciones y voladura

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

Page 60: Capt. iv perforaciones y voladura

Desgaste del tricono

La velocidad de avance

decrece

exponencialmente con el

desgate del tricono.

Page 61: Capt. iv perforaciones y voladura

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

Page 62: Capt. iv perforaciones y voladura

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

Page 63: Capt. iv perforaciones y voladura

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.

Page 64: Capt. iv perforaciones y voladura

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.

Page 65: Capt. iv perforaciones y voladura

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

Page 66: Capt. iv perforaciones y voladura

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.

Page 67: Capt. iv perforaciones y voladura

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.

Page 68: Capt. iv perforaciones y voladura

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.