2 Introducción a La Perforación

Introduccin a la Perforacin 1

AIRE COMPRIMIDO Y PERFORACIN - INACAP

PERFORACION Y TRONADURA 6

CAPITULO I. PERFORACION 1.0. Introduccin: En la minera y en todos aquellos trabajos de Construccin en que se debe extraer rocas, la primera fase de las operaciones a realizar es la perforacin de las rocas y que consiste en taladrar las rocas de acuerdo a un sistema predeterminado de ubicacin de cada uno de los taladros, los cuales posteriormente son cargados con una cierta cantidad de explosivos escogidos, calculados previamente, y tronados para el quebrado de la roca. La perforacin se sigue utilizando en el mundo moderno, el empleo de ella impacta el desarrollo econmico de un Pas, se utiliza preferentemente en la explotacin de las minas metlicas y no metlicas (subterrneas y a cielo abierto), existentes en el mundo, como tambin en la construccin de proyectos tales como : Construccin de caminos, grandes carreteras vas de ferrocarriles(por superficies y subterrneos), represas hidroelctricas, canales para regado, canales para la navegacin, en la excavacin de fundaciones de grandes edificios, en la exploracin petrolera y minera en la captacin de aguas subterrneas en la construccin de muelles, etc. Para perforar se necesitan varios componentes siendo los principales la mquina perforadora, los aceros de perforacin, accesorios, y equipos que generan energa ( aire comprimido o energa leo-hidrulica, energa elctrica) adems de un liquido barredor para extraer los detritus que origina la herramienta de corte al perforar. Hay diferentes tipos de mquinas perforadoras partiendo desde las manuales hasta las montadas en grandes estructuras que pueden ser camiones, carros especiales montados sobre orugas, jumbos de diferentes tipos de acuerdo a la operacin a que estarn destinados y eso depender a la direccin de cada taladro a perforar. 2.- Historia Antiguamente, los aborgenes de nuestro Pas horadaban las rocas con otras de mayor dureza, emplendolas como mazo, posteriormente con la invasin de los Incas, ocuparon las nuevas herramientas que ellos introdujeron, principalmente barrenos como los actuales cinceles y otras en forma de martillo todas hechas en cobre metlico las cuales tenan un tratamiento trmico que endurecan el cobre y que actualmente an es desconocido, no se sabe, como llegaron a lograr ese resultado. Las mquinas perforadoras manuales, recin se empezaron a utilizar a mediados del siglo 19, anteriormente se usaban barrenas, las cuales eran golpeadas con

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martillos. Se utiliz bastante en la perforacin descendente barrenos de mayor peso y tamao los cuales eran alzados con algn sistema dejndolos caer libremente. En Estados Unidos durante la excavacin del canal de Michigan en Illinois en el ao 1838, el seor Isaac Singer ide y construy varias perforadoras, para aplicarlas solamente en los sistemas descendentes de perforacin, en otras palabras las barras de gran peso y tamao eran levantadas por un pistn accionado con vapor, pero Su cada era libre. En 1849 un seor de apellido Caugh de Filadelfia, patent una perforadora que tena una vlvula automtica que controlaba el recorrido del pistn, con esto la mquina eliminaba la gravedad para golpear la barrena- En 1851 J.M. Fowle, fabric la primera mquina con rueda de trinquete. El mismo ao un seor de apellido Cave fabric un mquina perforadora que poda ser accionada con vapor o tambin con aire, pero la rotacin de esta mquina era controlada manualmente. En 1856 se inici el primer tnel ferroviario en Estados Unidos, en Su construccin se utilizaron mquinas perforadoras y como explosivo dinamita, elemento recin conocido en esa poca. El tnel fue bautizado como Hoosac en el Estado de Massachussets y fue terminado en el ao 1873 con un desarrollo de 8.802 mts. Se emplearon perforadoras recin salidas al mercado de la poca, proveniente de la fbrica Burleigh Rock Drill Co. Aos antes, en 1868 el seor Charles Burleigh le compr la patente al seor Fowle, creando de esta manera la primera fbrica de perforadoras. En 1871, don Simn Ingersoll desarroll una mquina montada sobre un trpode, permitiendo con facilidad perforar en cualquier direccin, teniendo movimientos horizontal y vertical. Posteriormente George Lyner introdujo el martillo perforador, produciendo un rechazo de los mineros por la gran cantidad de polvo que produca, en 1887 hizo varias modificaciones pero tuvo que realizar experimentaciones con barras huecas entre 1894 y 1898 a las cuales le introdujo aire y agua solucionando el problema del polvo. El primer soporte neumtico lo cre C. H. Shaw y lo adapt a las mquinas Lyner en la ciudad de Denver, para aplicarlos en algunas minas de Colorado para trabajos de realce en caserones. A este conjunto se le llam stoper





Las mquinas perforadoras haban evolucionado enormemente y ya contaban con caractersticas tcnicas avanzadas, como rotacin automtica por aire, lubricacin automtica, aumentaron el nmero de golpes del rango 300-400 golpes por minuto, al rango de 1600 a 2000 golpes por minuto. Las perforadoras eran ms livianas, por lo cual las poda maniobrar un solo hombre En 1912 la compaa Ingersoll Rand compr las patentes a George Lyner que

estaban vigentes hasta 1914. Posteriormente salieron al mercado otras marcas. Por ejemplo Atlas Copco fabric

sus primeras mquinas perforadoras por el ao 1917, ellos antes haban importado mquinas neumticas de Estados Unidos en l888. Las perforadoras han seguido evolucionando, aprovechando nuevos materiales en

Su construccin para hacerla ms livianas y tambin ms econmicas. Actualmente existen diferentes tipos y marcas de perforadoras manuales, cuyo

tamao depende del trabajo a realizar, pueden ser neumticas, o elctricas y en algunos casos accionadas mecnicamente. Tambin existen mquinas perforadoras de mayor tamao que van montadas en deslizadores y carros especiales, predominando actualmente las mquinas hidrulicas que utilizan aceites especiales y que son bombeados desde estanques ubicados estratgicamente por bombas accionadas elctricamente.

3.- Clasificacin de las rocas y propiedades fsicas principales.

La perforacin de barrenos se realiza, casi en la totalidad de los casos, en masa rocosas, por lo que es interesante antes de iniciar una obra conocer los diferentes tipos de materiales que se presentan y sus propiedades bsicas. Estas caractersticas de las rocas dependen en gran medida de su origen, por lo que a continuacin se describen los tres grandes grupos de que existen.

3.1 Clasificacin de las rocas por su origen 3.1.1. Rocas gneas Las rocas gneas son las formadas por la solidificacin de una masa fundida, mezcla de materiales ptreos y de gases disueltos, denominada magma. Si la roca se ha enfriado en contacto con el aire o el agua de la superficie terrestre, se la clasifica como roca gnea extrusiva o volcnica. Cuando el magma se enfra por debajo de la superficie terrestre se forma una roca gnea intrusiva o plutnica.




La velocidad de enfriamiento del magma da lugar a que los minerales cristalizados tengan tamaos de grano grandes si es lenta y pequeos si es rpida. En el primer caso se forma una roca denominada pegmatita y en el segundo una aplita. Un caso intermedio lo constituye el prfido, en el que se observan grandes cristales dentro de una masa o matriz de grano fino. Los tres tipos se encuentran generalmente en forma de diques con potencias de no a decenas de metros. El caso ms normal es el de una velocidad de enfriamiento moderada, que da lugar a una roca masiva con un tamao de grano medio, de 1 a 5 mm. Durante el proceso de enfriamiento de un magma su composicin vara, pues se produce una cristalizacin fraccionada, de acuerdo con la presin y temperatura de cada momento. Tambin, el lquido residual puede reaccionar con los minerales ya solidificados y con rocas alteradas y mineralizadas, metasomticas hidrotermales. Adems, la composicin qumica original de los magmas puede haber sido muy distinta. Las diferentes condiciones fsicas y qumicas que se dan durante la solidificacin de un magma hacen que exista una gran variedad de rocas gneas. Ellas estn formadas por diferentes minerales, de diversos tamaos y agrupados de distintas formas, dando por resultado que sus caractersticas fsicas y qumicas sean muy heterogneas. Por lo tanto, su comportamiento ante la fragmentacin, corte, desgaste y meteorizacin puede ser variado; aunque las rocas gneas sin meteorizar, a efectos de perforacin, son competentes o de gran cohesin Si la roca tiene un contenido en SIO2 superior al 66% geoqumicamente se la denomina cida, entre ese valor y el 52% de le denomina intermedia, entre 45 y 52% bsica, y finalmente con valores menores a 45% es ultrabsica. En el mismo sentido que las rocas gneas son ms pobres en slice, a la vez son ms ricas en silicatos ferromagnesianos. Las cidas son ms abrasivas y duras que las bsicas; pero estas ltimas son ms densas y resistentes al impacto que las primeras.

3.1.2. Rocas Metamrficas. Las rocas metamrficas son las originadas por importantes transformaciones de los componentes mineralgicos de otras rocas preexistentes, endgenas o exgenas. Estos grandes cambios se producen por la necesidad de estabilizarse sus minerales en unas nuevas condiciones de temperatura, presin y qumicas. Estas rocas son intermedias en sus caractersticas fsicas y qumicas, entre las gneas y las sedimentarias, pues presentan asociaciones de minerales que se forman a temperaturas y presiones intermedias y pertenecen a los dos tipos. As se encuentran en ellas minerales, como el cuarzo, los feldespatos, las micas, los anfboles, los piroxenos y los olivinos, esenciales en las rocas gneas, pero no tiene feldespatoides. Como en las rocas sedimentarias, pueden tener calcita, dolomita, slices y hematitas; pero no tiene minerales evapricos. Tambin aparecen en ellas





minerales comunes a los dos tipos, como son: la turmalina, el circn, la magnetita, el topacio y el corindn; todos ellos son minerales muy estables en cualquier medio exgeno o endgeno. Existe una serie de minerales, que son muy especficos de las rocas metamrficas, pudiendo formar parte de los granos de las rocas detrticas, debido a su estabilidad en los ambientes exgenos y otros son a la vez productos de alteracin meterica de minerales de rocas endgenas. Realmente la meteorizacin es un proceso de transformacin mineralgica con carcter fsico y qumico, pero a temperatura y presin baja, dando origen al suelo no cohesivo (no es roca).

3.1.3. Rocas Sedimentarias Las rocas sedimentarias se forman por la acumulacin de restos de detritus de otras rocas preexistentes, por la precipitacin qumica de minerales solubilizados o por la acumulacin de restos de animales o vegetales. En el primer caso se producen los sedimentos detrticos como lo son las gravas, conglomerados y arenas en cuya sedimentacin, o asentamiento interviene la gravedad. El segundo se encuentran, por ejemplo, las evaporitas rocas salinas precipitadas por la sobresaturacin de una salmuera sometida a una intensa evaporacin. Las terceras son las acumulaciones de conchas, esqueletos de animales o restos de plantas, como son las calizas conchferas, los corales y el carbn. Este ltimo grupo se subdivide en bioqumicas organogneas y bioqumicas minerales, segn que sus componentes sean de la qumica orgnica o de la inorgnica. En el primer caso estn los carbones y el petrleo (no es roca ni mineral, ms bien est asociado a las rocas sedimentarias, porque ah lo encontramos), y en el segundo las calizas, dolomitas y rocas fosfticas. En una primera clasificacin de las rocas sedimentarias se tiene en cuenta su proceso de formacin, despus se consideran los tamaos de los granos, las caractersticas de la unin de los mismos, adems de los tipos y cantidades de sus minerales componentes, tambin los detritus o cristales cementados a bajas temperaturas siendo ellos los de menor cohesin.

4.- Propiedades de las rocas que afectan a la perforacin. Las principales propiedades fsicas de las rocas que influyen en los mecanismos de penetracin y consecuentemente en la eleccin del mtodo de perforacin son: - Dureza - Resistencia

- Elasticidad - Plasticidad - Abrasividad - Textura - Estructura




- Caractersticas de rotura. 4.1. Dureza Se entiende por dureza la resistencia de una capa superficial a la penetracin en ella de otro cuerpo ms duro. En una roca es funcin de la dureza y composicin de los granos minerales constituyentes, de la porosidad de la roca, del grado de humedad, etc. La dureza de las rocas es el principal tipo de resistencia a superar durante la perforacin, pues cuando se logra la penetracin del til el resto de las acciones se desarrollan ms fcilmente. Las rocas se clasifican en cuanto a su dureza por medio de la escala de Mohs, en la que se valora la posibilidad de que un mineral pueda rayar a todos los que tienen un nmero inferior al suyo. Tal como se detalla en la siguiente tabla existe una cierta correlacin entre la dureza y la resistencia a la compresin de las rocas

CLASIFICACIN DUREZA MOHS

RESISTENCIA A LA COMPRESIN (Mpa.)

Muy dura +7 +200 Dura 6-7 120-200 Medio Dura 4.5-6 60-120 Medio Blanda 3-4.5 30-60 Blanda 2-3 10-30 Muy Blanda 1-2 -10

4.2. Resistencia Se llama resistencia mecnica de una roca a la propiedad de oponerse a su destruccin bajo una carga exterior, esttica o dinmica. Las rocas oponen una resistencia mxima a la compresin; comnmente, la resistencia a la traccin no pasa de un 10 a un 15% de la resistencia a la compresin. Eso se debe a la fragilidad de las rocas, a la gran cantidad de defectos locales e irregularidades que presentan y a la pequea cohesin entre las partculas constituyentes. La resistencia de las rocas depende fundamentalmente de su composicin mineralgica. Entre los minerales integrantes de las rocas el cuarzo es el ms slido, su resistencia supera los 500Mpa, mientras que los silicatos ferromagnsicos y los aluminosilicatos varan de 200 a 500 Mpa, y la calcita de 10 a 20 Mpa. Por eso, conforme es mayor el contenido de cuarzo, por lo general la resistencia aumenta.





La resistencia de los minerales depende del tamao de los cristales y disminuye con el aumento de estos. Esta influencia es significativa cuando el tamao de los cristales es inferior a 0.5 mm. En las rocas la influencia del factor tamao en la resistencia es menor, debido a que tambin intervienen las fuerza de cohesin intercristalinas. Entre las rocas sedimentarias las ms resistentes son las que tienen cemento silceo. En presencia de cemento arcilloso la resistencia de las rocas disminuye de manera brusca. La porosidad en rocas con una misma litologa conforme aumenta hace disminuir la resistencia, puesto que simultneamente disminuye el nmero de contactos de las partculas minerales y las fuerzas de accin recprocas entre ellas. En la resistencia de las rocas influye la profundidad a la que se formaron y el grado de metamorfismo. Por otro lado, la resistencia de las rocas anisotrpicas depende del sentido de accin de las fuerzas. La resistencia a la compresin de las rocas en el sentido perpendicular a la estratificacin o esquistosidad es mayor que en un sentido paralela a stas. El cociente que suele obtenerse entre ambos valores de resistencia vara entre 0.3 y 0.8, y solo para las rocas isotrpicas es igual a 1.

4.3 Elasticidad La mayora de los minerales constituyentes de las rocas tienen un comportamiento elstico-frgil, que obedece a la ley de Hooke, y se destruyen cuando las tensiones superan el lmite de elasticidad. Segn el carcter de deformacin, en funcin de las tensiones provocadas para cargas estticas, se consideran tres grupos de rocas:

1.- Elasto-frgiles oque obedecen la Ley de Hooke. 2.- Plstico-frgiles, a cuya destruccin precede la deformacin plstica. 3.- Las altamente plsticas o muy porosas, cuya deformacin elstica es insignificante.

Las propiedades elsticas de las rocas se caracterizan por el mdulo de elasticidad E y el coeficiente de Poisson Q. El mdulo de elasticidad es el factor de proporcionalidad entre la tensin normal en la roca y la deformacin relativa correspondiente, su valor en la mayora de las rocas vara entre 0.03 X104 y 1.7 x 105 Mpa, dependiendo fundamentalmente de la composicin mineralgica, porosidad, tipo y magnitud de la carga aplicada. Los valores de los mdulos de elasticidad en la mayora de las rocas sedimentarias son inferiores a los de los minerales correspondientes que los constituyen. Tambin influyen en dicho parmetro la textura de la roca, ya que el mdulo de elasticidad en la direccin de la estratificacin o esquistosidad es generalmente mayor que en la direccin perpendicular a sta.




El coeficiente de Poisson es el factor de proporcionalidad entre las deformaciones longitudinales relativas y las deformaciones transversales. Para la mayora de las rocas y minerales est comprendido entre 0.2 y 0.4, y slo el cuarzo lo tiene normalmente bajo, alrededor de 0.07. 4.4 Plasticidad Como se ha indicado anteriormente, en algunas rocas, a la destruccin le precede una deformacin plstica. Esta comienza en cuanto las tensiones de la roca superan el lmite de elasticidad. En el caso de los cuerpos idealmente plsticos tal deformacin se desarrolla con una tensin invariable. Las rocas reales se deforman consolidndose al mismo tiempo: para el aumento de la deformacin plstica es necesario incrementar el esfuerzo. La plasticidad depende de la composicin mineral de las rocas y disminuye con el aumento del contenido de cuarzo, feldespato y otros minerales duros. Las arcillas hmedas y algunas rocas homogneas poseen altas propiedades plsticas. La plasticidad de las rocas ptreas (granitos, esquistos cristalinos y areniscas) se manifiesta sobre todo a altas temperaturas.

4.5 Abrasividad La Abrasividad es la capacidad de las rocas para desgastar la superficie de contacto de otro cuerpo ms duro, en el proceso de rozamiento durante el movimiento. Los factores que elevan la capacidad abrasiva de las rocas son las siguientes:

- La dureza de los granos constituyentes de las roca. Las rocas que contienen granos de cuarzo son sumamente abrasivas.

- La forma de los granos. Los ms angulosos son ms abrasivos que los redondeados.

- El tamao de los granos. - La porosidad de las rocas. Da lugar a superficies de contacto rugosas con

concentraciones de tensiones locales. - La heterogeneidad. Las rocas poliminerales, aunque estos tengan igual

dureza, son ms abrasivas, pues van dejando superficies speras con presencia de granos duros.

4.6. Textura La textura de una roca se refiere a la estructura de los granos de minerales constituyentes de sta. Se manifiesta a travs del tamao de los granos, la forma, la porosidad, etc. Todos estos aspectos tienen una influencia significativa en el rendimiento de la perforacin.





Como los granos tienen forma lenticular, como en un esquisto, la perforacin es ms difcil que cuando son redondos, como en una arenisca. Tambin influye de forma significativa el tipo de material que constituye la matriz de una roca y que une los granos de mineral. En cuanto a la porosidad, aquellas rocas que presentan una baja densidad y son consecuentemente ms porosas tienen una menor resistencia a la trituracin y son ms fciles de perforar. 4.7. Estructura. Las propiedades estructurales de los macizos rocosos, tales como esquistosidad, planos de estratificacin, juntas, diaclasas y fallas, as como el rumbo y el buzamiento de stas afectan a la linealidad de los barrenos, a los rendimientos de perforacin y a la estabilidad de las paredes de los taladros.

5.- PERFORACION FUNDAMENTOS TERICOS

5.1. Mtodos de Perforacin de Rocas

Introduccin

En la mayor parte de las industrias en que se requiere utilizar explosivos, para volar rocas u otro material, debe recurrirse a la operacin de perforacin, que consiste en taladrar estratgicamente el material a tronar, utilizando esquemas de perforacin, donde se alojan las cargas explosivas adecuadas y obtener el xito deseado. Los sistemas de penetracin de rocas que han sido desarrollados y clasificados por orden de aplicacin son: A.- Mecnicos: Percusin Rotacin Rotopercusin . Rotoabrasivo B.- Trmicos: Soplete o lanza trmica Plasma Fluido Caliente Congelacin C.- Hidrulicos: Chorro de agua Erosin Cavitacin.


2 Introducción a La Perforación

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