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Métodos y equipos de perforación

Existen distintos métodos de perforación de rocas, diferenciados principalmente por el tipo de energía que utilizan (Ej: mecánicos, térmicos, hidráulicos, etc.). En minería y en obras civiles, la perforación se realiza, actualmente, utilizando energía mecánica.

 

Métodos de perforación de rocas

Actualmente, en trabajos de minería -tanto a rajo abierto como en minería subterránea- y en obras civiles, la perforación se realiza utilizando energía mecánica, lo que define distintos métodos de perforación y componentes de perforación.

Los principales componentes de un sistema de perforación de este tipo son:

  •  Perforadora, fuente de energía mecánica.
     Varillaje, medio de transmisión de dicha energía.
     Broca o bit, herramienta útil que ejerce energía sobre la roca.
     Barrido, efectúa la limpieza y evacuación del detrito producido.

Clasificación de las perforaciones

Según el método mecánico de perforación

  • Métodos rotopercutivos
    son muy utilizados en labores subterráneas y trabajos menores en minería a cielo abierto (precorte), tanto si el martillo se sitúa en la cabeza como en el fondo de la perforación. En este método tiene lugar la acción combinada de percusión, rotación, barrido y empuje.
  • Perforación rotopercutiva
    corresponde al sistema más clásico de perforación de rocas, utilizado desde el siglo XIX. En este tipo de perforación se emplea la acción combinada de percusión, rotación, empuje y barrido, ya sea en equipos manuales para labores menores (pequeña minería y obras civiles de poca envergadura) o mecanizados( principalmente en minería subterránea de gran escala; ej: minas subterráneas de Codelco) y en obras civiles de gran envergadura, como la construcción de una caverna o túnel carretero.

 Las principales ventajas de este método de perforación, en comparación al método rotativo, son:

  •  Es aplicable a todos los tipos de roca, desde las más blandas hasta las más duras.
     Permite una amplia gama de diámetros de perforación (desde 1" hasta 8").
     En el caso de perforación mecanizada, los equipos tienen gran movilidad (la perforadora puede ser montada en camiones sobre ruedas).
     Requiere de una persona para operar la perforadora.

Métodos rotativos

se subdividen en dos grupos, según si la penetración en la roca se realiza por trituración (triconos) o por corte (brocas especiales). El primer sistema se aplica en rocas de dureza media a alta y el segundo en rocas blandas. En este tipo de perforación no existe la percusión.

Según el tipo de maquinaria

  • Perforación manual
    en este tipo de perforación se usan equipos ligeros operados por perforistas. Este método se utiliza en trabajos de pequeña envergadura, donde, principalmente por dimensiones, no es posible usar otras máquinas o no se justifica económicamente su empleo.
  • Perforación mecanizada
    en una perforación mecanizada, los equipos van montados sobre estructuras llamadas orugas, desde donde el operador controla en forma cómoda todos los parámetros de perforación.

Según el tipo de trabajo

  • Perforación de banqueo
    perforaciones verticales o inclinadas utilizadas preferentemente en proyectos a cielo abierto y minería subterránea (L.B.H.). Este tipo de perforación se emplea, en general, para la minería a cielo abierto y para algunos métodos de explotación subterránea, como el hundimiento por subniveles.
  • Perforación de avance de galerías y túneles
    perforaciones preferentemente horizontales llevadas a cabo en forma manual o mecanizada. Los equipos y métodos varían según el sistema de explotación, pero por lo general, para minería en gran escala subterránea se utilizan los equipos de perforación llamados "jumbos", que poseen desde uno a tres o más brazos de perforación y permiten realizar las labores de manera rápida y automatizada.
  • 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.
  • Perforación de chimeneas y piques
    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, entre los cuales destacan el Raise Boring y la jaula trepadora Alimak.
  • Perforación con recubrimiento
    se utiliza por ejemplo, en perforación de pozos de captación de aguas y perforaciones submarinas.
  • Perforación con sostenimiento de rocas
    este tipo de perforación se emplea principalmente en labores subterráneas cuando se requiere colocar pernos de anclaje, y se realiza como método de fortificación para dar así estabilidad al macizo rocoso.

Equipos de perforación manual

Es el sistema de perforación más convencional de perforación, utilizado por lo general para labores puntuales y obras de pequeña escala debido principalmente a la facilidad en la instalación de la perforadora y a los requerimientos mínimos de energía para funcionar (un compresor portátil). Esto permite realizar labores de perforación en zonas de difícil acceso sin que sea necesario personal muy experimentado para la operación y mantención de las perforadoras, lo que significa un menor costo por metro perforado.

Perforación manual con martillo en cabeza

Este sistema de perforación se puede calificar como el más clásico o convencional, y aunque su empleo por accionamiento se vio limitado por los martillos en fondo y equipos rotativos, la aparición de los martillos hidráulicos en la década de los setenta lo ha hecho resurgir, ampliando su campo de aplicación.

Perforadoras neumáticas

En este tipo de perforadoras, el martillo es accionado por aire comprimido. Los principales componentes de este sistema son:

  •  Cilindro cerrado con una tapa delantera que dispone de una abertura axial donde va colocado el elemento portabarras, así como un dispositivo retenedor de barras de perforación.
  •  El pistón, que con su movimiento alternado golpea el vástago o culata a través de la cual se transmite la onda de choque a las barras.
     La válvula, que regula el paso de aire comprimido en un volumen determinado y de manera alternativa a la parte anterior y posterior del pistón.
     El mecanismo de rotación, ya sea de barra estriada o de rotación independiente.
     El sistema de barrido, que consiste en un tubo que permite el paso del aire hasta el interior de las barras.

Accesorios

Empujadores
son los accesorios utilizados para dar el empuje que requiere la perforadora. Básicamente, un empujador consta de dos tubos: uno exterior de aluminio o de un metal ligero y otro interior de acero, el que va unido a la perforadora. El tubo interior actúa como un pistón de doble efecto, controlándose su posición y fuerza de empuje con una válvula que va conectada al circuito de aire comprimido. Esto permite avanzar con la perforación y usar el accionamiento neumático del empujador para el avance respectivo.

 

Barrenas integrales
es el conjunto de barras que unen la fuente de energía mecánica (pistón) con la roca mediante el bit. Las barras integrales están constituidas por un culatín que está en contacto directo con el pistón de la perforadora y una barra que va unida a la broca o bit, que es el elemento que está en contacto con la roca. Este dispositivo es el que ejerce el mecanismo de fractura y avance sobre el macizo rocoso.

 

Características principales

Las longitudes de perforación que se alcanzan mediante este sistema de perforación neumático suelen no superar los 30 m debido a las importantes pérdidas de energía en la transmisión de la onda de choque y desviaciones que tienen lugar en la perforación.

 

Característica

Valores

Relación diámetro pistón/diámetro de perforación

15/1,7 mm/mm

Carrera del pistón

35 - 95 mm

Frecuencia de golpeo

1500 a 3400 golpes/min.

Velocidad de rotación

40 - 400 RPM

Consumo relativo de aire

2,1 - 2,8 (m3/min cm diámetro)

El campo de aplicación de las perforadoras neumáticas de martillo en cabeza se ha ido estrechando cada vez más hacia perforaciones cortas -de longitudes entre 3 y 15 m, y diámetros entre 50 mm a 100 mm-, fundamentalmente debido a que la frecuencia de impactos y la forma de la onda de choque que se transmite con pistones de gran diámetro conllevan a un elevado consumo de aire comprimido (2,4 m3/min por cada centímetro de diámetro) y a fuertes desgastes que se producen en todos los accesorios (barras, manguitos, brocas, etc.). 

Estas características constituyen la principal desventaja de las perforadoras neumáticas. No obstante, estos equipos presentan aún numerosas ventajas:

  •  Gran simplicidad de manejo.
     Fiabilidad y bajo costo de mantenimiento.
     Facilidad de reparación.
     Bajos precios de mercado.
     Posibilidad de funcionar conectados a antiguas instalaciones de aire comprimido de minas subterráneas.

Perforación mecanizada

La necesidad de incrementar los diámetros de perforación (sobre 3") para responder a mayores ritmos de producción en las faenas mineras, y el desarrollo tecnológico en el ámbito de la automatización de las operaciones introdujeron importantes cambios a la perforación de rocas.

La mecanización utiliza sistemas que permiten relacionar los valores de las variables de rotación, empuje, percusión, barrido con los de las variables dependientes de la roca (dureza, resistencia) y con las posibilidades de los equipos de perforación, en función de una mayor velocidad de penetración y mayor rendimiento, que en definitiva llevan a un menor costo por metro perforado.

Perforadoras hidráulicas con martillo en cabeza (O.T.H)

A finales de los años sesenta y comienzo de los setenta tuvo lugar un gran avance tecnológico en la perforación de rocas a causa del desarrollo de los martillos hidráulicos.

Una perforadora hidráulica consta básicamente de los mismos elementos que una neumática. Sin embargo, la principal diferencia entre ambos sistemas radica en que las perforadoras hidráulicas utilizan un motor que actúa sobre un grupo de bombas, las que suministran un caudal de aceite que acciona los componentes de rotación y movimiento alternativo del pistón.

 



Martillo hidraúlico

Aunque en un principio la introducción de estos equipos fue más importante en trabajos subterráneos, con el tiempo se han ido imponiendo en las faenas de perforación de superficie, complementando a las perforadoras neumáticas.

La perforación hidráulica supone una superioridad tecnológica en relación con la perforadora neumática debido a las siguientes características:

  • Menor consumo de energía
    las perforadoras hidráulicas trabajan con fluidos a presiones muy superiores a las accionadas neumáticamente y, además, las caídas de presión son mucho menores. Por lo tanto, la utilización de la energía es más eficiente, siendo necesario sólo 1/3 de la energía que se consume con los equipos neumáticos.
  • Menor costo de accesorios de perforación
    en los martillos hidráulicos la transmisión de energía se efectúa por medio de pistones más alargados y de menor diámetro que los de los martillos neumáticos. La fatiga generada en las barras depende de la sección y del tamaño del pistón. La forma de la onda de choque es mucho más uniforme en los martillos hidráulicos que en los neumáticos, donde se producen niveles de tensión muy elevados, que son el origen de la fatiga sobre el acero y de una serie de ondas secundarias de bajo contenido energético. En la práctica, se ha comprobado que la vida útil de la sarta se incrementa en 20% para perforadoras hidráulicas.
  • Mayor capacidad de perforación
    debido a la mejor transmisión de energía de la onda, las velocidades de penetración de las perforadoras hidráulicas son entre 50% y 100% mayores que en los equipos neumáticos.
  • Mejores condiciones ambientales
    los niveles de ruido en una perforadora hidráulica son sensiblemente menores a los generados por una neumática debido a la ausencia del escape de aire. Además, la tecnología de la perforadora hidráulica ha logrado el desarrollo de mejores diseños de equipos, haciendo que las condiciones generales de trabajo y seguridad sean mucho más favorables.
  • Mayor elasticidad de la operación
    en la perforadora hidráulica es posible variar la presión de accionamiento del sistema, la energía por golpe y la frecuencia de percusión.
  • Mayor facilidad para la automatización
    estos equipos son mucho más aptos para la automatización de operaciones, tales como el cambio de varillaje y mecanismos antiatranque, entre otros.

Por el contrario, los inconvenientes que presentan son:

 Mayor inversión inicial debido a todos los componentes asociados a la perforadora, a su sistema de avance automático y a las características de las fuentes de energía que utiliza (energía eléctrica e hidráulica).

  Reparaciones más complejas y costosas que en las perforadoras neumáticas, requiriéndose una mejor organización y formación de personal de mantenimiento.

Principales características

Característica

Unidades

Presión de trabajo

7,5 - 25 MPa

Potencia de impacto

6 - 20 kw

Frecuencia de golpeo

2000 - 5000 golpes/min

Velocidad de rotación

1 - 500 RPM

Consumo relativo de aire

0,6-0,9 (m3/min. cm diámetro)

Perforadoras con martillo en fondo (D.T.H)

Los martillos que poseen estos equipos fueron desarrollados por Stenuick en 1951, y desde entonces se han venido utilizando tanto en minas a cielo abierto como en minas subterráneas asociadas al uso de métodos de explotación de tiros largos (L.B.H.) y V.C.R.

Actualmente, en el caso de obras de superficie, este método de perforación está indicado para rocas duras y diámetros superiores a los 150 mm.

 

 

El funcionamiento de un martillo en fondo se basa en que el pistón golpea directamente a la broca durante la perforación, generalmente con una frecuencia de golpeo que oscila entre 600 y 1.600 golpes por minuto.

El fluido de accionamiento es aire comprimido, que se suministra a través de un tubo que constituye el soporte y hace girar el martillo. La rotación es efectuada por un simple motor neumático o hidráulico montado en el carro situado en superficie (figura anterior).

La limpieza del detrito se efectúa por el escape del aire del martillo a través de los orificios de la broca.

Parte interior de un martillo D.T.H.

Considerando la posible percusión en vacío de los martillos que implica una pérdida de energía, los martillos de estas perforadoras suelen ir provistos de un sistema de protección, que cierra el paso del aire al cilindro cuando la broca no se apoya en la roca del fondo del taladro.

En el caso de la perforación de rocas en presencia de agua, puede ocurrir que la columna de agua disminuya el rendimiento de la perforación, por lo que es aconsejable disponer de un compresor con una presión de aire suficiente para proceder a la evacuación del líquido.

En cuanto al empuje, una regla práctica es la de aproximarse a los 85 kg por cada centímetro de diámetro. Un empuje excesivo no aumentará la penetración, sino que acelerará los desgastes de la broca y aumentará los esfuerzos sobre el sistema de rotación. Cuando se perfore a alta presión (en rocas de gran resistencia como un granito) se precisará al inicio una fuerza de avance adicional para superar el efecto de contraempuje del aire del fondo de la perforación. Por el contrario, cuando la profundidad de perforación sea grande (sobre 20 metros) y el número de tubos sea tal que supere el peso recomendado será necesario entonces que el perforista accione la retención y rotación para mantener un empuje óptimo sobre la broca.

Las velocidades de rotación recomendadas varían en función del tipo de roca. Los valores se señalan en la siguiente tabla:

 

Velocidades de rotación aconsejadas en función del tipo de roca

Tipo de roca

Velocidad de rotación (RPM)

Muy blanda

40-60

Blanda

30-50

Media

20-40

Dura

10-30

 

En la práctica, puede ajustarse la velocidad de rotación a la de avance utilizando la siguiente expresión:

Velocidad de rotación (RPM) = 1.66 x Velocidad de penetración (m/h)

En cuanto al tamaño de las barras, éstas deben tener dimensiones adecuadas que permitan la correcta evacuación de los detritos por el espacio anular que queda entre ellas y la pared del barreno. Los diámetros recomendados en función del diámetro de perforación se señalan en la siguiente tabla:

 

Diámetros recomendados en función del diámetro de perforación

Diámetro de perforación (mm)

Diámetro de las barras (mm)

102-115

76

127-140

102

152-165

114

200

152

La perforación con martillo en fondo presenta ventajas en relación con la utilización del martillo en cabeza:

  •   La velocidad de penetración se mantiene prácticamente constante a medida que aumenta la profundidad de la perforación.
      Los desgastes de las brocas son menores que con martillo en cabeza debido a que el aire de accionamiento que pasa a través de la broca limpiando la superficie del fondo asciende eficazmente por el pequeño espacio anular que queda entre la tubería y la pared del pozo.
      La vida útil de las barras es más larga en relación con las utilizadas con martillo en cabeza.
      Las desviaciones de los barrenos son muy pequeñas, por lo que son apropiados para perforaciones de gran longitud.
      El costo por metro lineal en diámetros grandes y rocas muy duras es menor que con perforación rotativa.
      El consumo de aire es más bajo que con martillo en cabeza neumático.
      El nivel de ruido en la zona de trabajo es inferior al estar el martillo dentro de la perforación.

El martillo en fondo presenta ciertos inconvenientes respecto del martillo en cabeza, los que se señalan a continuación:

  •   Cada martillo está diseñado para una gama de diámetros muy estrecha, que oscila entre 12 y sobre 200 mm.
      El diámetro más pequeño está limitado por las dimensiones del martillo con un rendimiento aceptable, que en la actualidad es de unos 76 mm.
      Existe un riesgo de pérdida del martillo dentro de los barrenos por desprendimientos de roca.
      Se precisan compresores de alta presión con elevados consumos energéticos.

Dimensiones y características principales

En la siguiente tabla se señalan las principales características de algunos martillos en fondo:

 

Diámetros recomendados en función del diámetro de perforación

Características

Dimensiones

Diámetro de perforación (mm)

100 - 125 - 150 - 200 - 300

Diámetro del pistón (mm)

75 - 91- 108 - 148 - 216

Carrera del pistón (mm)

100 - 102 - 102 - 100 - 100

Peso del martillo (kg)

38,5 - 68,5 - 106 - 177- 624

Consumo de aire (m3/min a 1 MPa)

4,7 -6,7 -10,1 -17,1 - 28,2

Accesorios de perforación en equipos mecanizados

  • Deslizaderas
  • Uno de los accesorios que sirven para alojar el elemento de perforación (pistón) y realizar el avance en forma mecanizada es la llamada "deslizadera", la que va montada en los brazos de los jumbos y a la que se puede incorporar un conjunto de aparatos automatizados e integrados al panel de control del operador.
  • Deslizaderas de cadena
  • este sistema de avance está formado por una cadena que se desplaza por dos canales y que es arrastrada por un motor neumático o hidráulico, según el fluido que se utilice en el accionamiento del martillo, a través de un reductor y piñón de ataque. La cadena actúa sobre la cuna del martillo que se desplaza sobre el lado superior de la deslizadera.
  • Este sistema es muy utilizado tanto en equipos de superficie como subterráneos debido a su bajo precio, a la facilidad de reparación y a la posibilidad de lograr grandes longitudes de perforación. Algunos inconvenientes de este sistema son los mayores desgastes en ambientes abrasivos, el peligro que representa si se rompe la cadena perforando hacia arriba y la dificultad de conseguir un avance suave cuando las penetraciones son pequeñas.

 

  • Deslizaderas de tornillo
    en estas deslizaderas el avance se produce al girar el tornillo accionado por un motor neumático. Este tornillo es de pequeño diámetro en relación con su longitud y está sujeto a esfuerzos de pandeo y vibraciones durante la perforación. Por esta razón, no son usuales longitudes superiores a los 1,8 m.
  • Las principales ventajas de este sistema son: una fuerza de avance más regular y suave, y gran resistencia al desgaste. Se trata, además, de un sistema menos voluminoso y más seguro que el de cadenas.
  • Sin embargo, los inconvenientes que presentan son: un alto precio, mayor dificultad de reparación y longitudes limitadas.


  • Deslizaderas hidráulicas
  • el rápido desarrollo de la hidráulica en la última década ha hecho que este tipo de deslizaderas se utilice incluso en perforadoras neumáticas. El sistema consta de un cilindro hidráulico que desplaza la perforadora a lo largo de una viga soporte. Las deslizaderas hidráulicas presentan las siguientes ventajas: simplicidad y robustez, facilidad de control y precisión, capacidad para perforar grandes profundidades y adaptabilidad a gran variedad de máquinas y longitudes de barrenos.
  • Por el contrario, los problemas que plantean son: mayores precios, la necesidad de contar con un accionamiento hidráulico independiente, se adaptan mejor en las perforadoras rotativas que en las percutivas y presentan más desgastes en el cilindro empujador.
  • Sarta de perforación
  • Esta es uno de los componentes más importantes del equipo de perforación, pues se trata de la estructura que conecta la perforadora con la roca. La sarta está compuesta de los siguientes elementos:
  • Adaptadores de culata
  • corresponden a aquellos elementos que se fijan a las perforadoras para transmitir la energía de impacto, la rotación y el empuje.
  • Manguitos o coplas
  • son estructuras que sirven para unir las barras hasta conseguir la longitud deseada, asegurando que los extremos estén en contacto para una mejor transmisión de energía.
  • Barras de extensión
  • son las barras empleadas cuando se perfora con martillo en cabeza. Éstas tienen sección hexagonal o circular y en el caso de emplear perforación manual, generalmente lo que se usa son las barras (barrenas) integrales, las cuales tienen unida la barra y el bit, eliminando el empleo de coplas y mejorando la transmisión de energía. Los principales tipos de barras integrales son:
  •   Barras tipo cincel: son las más usadas y se caracterizan por su bajo costo y reparación.
      Barras de insertos múltiples: para rocas blandas y fisuradas.
      Barras de botones: usadas para rocas poco abrasivas, de fácil penetración. Por ejemplo, se utilizan en minas de carbón.
  • Brocas
  • las brocas o bits son los elementos que están en directo contacto con la roca que se está perforando. Por esta razón, las características de la roca son importantes de considerar al momento de escoger el tipo de broca.
  • Las brocas que se utilizan en la perforación son de dos tipos:
      Pastillas o plaquitas
      Botones
  • Roscas
  • estos elementos tienen la función de unir las culatas, coplas, barras y brocas, obteniendo un ajuste eficiente entre los elementos de la sarta para lograr una adecuada transmisión de energía. Es importante considerar que un apriete excesivo dificulta el desacoplamiento.

    Tubos
  • el uso de perforadoras hidráulicas con martillo en cabeza en perforaciones de gran diámetro (sobre 115 mm) ha llevado a diseñar tubos de perforación específicos que poseen las siguientes ventajas:
  •   Mayor rigidez, lo que permite reducir las desviaciones.
      Mejor transmisión de la energía, al no ser necesario el uso de coplas.
      Mejor barrido, al existir una mejor transmisión del aire en el espacio anular.
  • Respecto de los materiales con que se construyen la sarta y sus componentes, es importante considerar que los aceros empleados en la estructura de la sarta deben ser resistentes a la fatiga, a la flexión, a los impactos y al desgaste. Lo ideal es utilizar aceros con un núcleo no muy duro y una superficie endurecida y resistente al desgaste de acuerdo con lo siguiente:
  •   Aceros de alto contenido en carbono, en los que la dureza deseada se consigue controlando la temperatura en el proceso de fabricación. La culata se trata por separado para conseguir una alta resistencia a los impactos.
  •   Aceros de bajo contenido de carbono, que se utilizan en barras, adaptadores, coplas y brocas. Se trata de aceros que contienen pequeñas cantidades de cromo y níquel, manganeso y molibdeno.
  •  Los insertos de las brocas se fabrican a partir de carburo de tungsteno y cobalto, ya que estos materiales se caracterizan por su alta resistencia al desgaste y tenacidad, y pueden conseguirse diferentes combinaciones variando el contenido de cobalto entre 6% y 12%.
    Criterios de selección brocas para martillos DTH (Drillco Tools)
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