TOPICOS DE MINERIA A CIELO TOPICOS DE MINERIA A CIELO ABIERTO PERFORACIONABIERTO PERFORACION

EXPOSITOR: EXPOSITOR: ING JORGE DIAZ ARTIEDAING JORGE DIAZ ARTIEDA

INTRODUCCION

A nivel mundial, mas del 90% de la explotación minera es efectuada a tajo abierto, la razón de ello es que cada vez se requiere explotar depósitos con mas bajo valor unitario, lo cual solo es económicamente factible trabajando con grandes volúmenes. Por otra parte las industrias que fabrican equipo minero pueden suministrado en tamaños cada vez mas grandes y eficientes así: palas eléctricas de 80/120 yd3, camiones de 300/400 Tcs, perforadoras capaces de perforar diámetros de 14 a 16 pulgadas, así como gigantes cargadores frontales, bulldozers y motoniveladoras para apoyar al equipo principal.

La perforación y voladura constituyen uno de los mas importantes procesos que se efectúan en minería superficial; ambas están íntimamente ligadas y pese a que su costo solo representa ≈ 12/18% del costo directo de minado (para un wor =3:1, el costo de carguío ≈ 23% y el de acarreo = 53%. Sin embargo su influencia en la producción y productividad de las operaciones mineras a tajo abierto es crítica puesto que una buena fragmentación del material disparado, reduce los costos de carguío, acarreo y chancado en la concentradora.

PERFORACIÓN

La invención de las brocas Tricónicas en 1909 permitió perforar rocas duras a menor costo y con mayores velocidades de penetración. (1 - 1.5ft/min.), extendiéndose su uso tanto en minería superficial, subterránea (taladro piloto en las Raise Borers), como en petróleo, debido a que con el tiempo se introdujeron mejoras en el diseño, metalurgia y practicas de perforación. Para una mejor comprensión de estos factores en las páginas siguientes tomadas del manual de Atlas Copco, se muestra un esquema de la corteza terrestre, una tabla de dureza de los minerales componentes de las rocas, el tipo de rocas según su génesis, su estructura, perforabilidad, una tabla de resistencia a la compresión y métodos, de perforación para diferentes tipos de roca

MINERALES

Los minerales más comunes que forman una roca son: cuarzo, calcita, feldespatos, hornblenda, mica y clorita. Los minerales tienen diferentes durezas y normalmente son clasificados de acuerdo a una escala de durezas del 1 al 10 (escala de Mohs):

1. Talco Fácilmente triturado entre los dedos2. Yeso Fácilmente rayado con la uña3. Calcita, Mica Difícilmente rayada con la uña4. Florita Fácilmente rayada con una cuchilla5. Apatito, Horblenda Eficazmente rayada con una cuchilla6. Feldespatos Difícilmente rayados con una cuchilla7. Cuarzo Raya el vidrio, Rayado con aceros especiales8. Topacio Raya el vidrio. Rayado con berilo (agua marina)9. Corindón Raya el vidrio. Rayado con diamante10.Diamante Raya el vidrio

Las diferentes especies de roca son clasificadas en 3 grupos, en con cordancia con la manera en que fueron formadas:

ROCAS ERUPTIVAS

Las rocas eruptivas son formadas por las masas ó mantas de lava (mag ma) solidificados y cristalizados.Si un magma es solidificado lentamente y sometido a una presión alta, a gran profundidad, se forma una roca de cristales mayores y grano grueso como el granito, la monzonita, etc.Cuando un magma emerge más próximo a la superficie de la tierra, en forma de lava, las masas se enfriarán más rápidamente y formarán una roca con granulación más fina, como el basalto, pórfido y diabasa.

ROCAS SEDIMENTARIAS

Las rocas sedimentarias están formadas por el material intemperizado de la corteza sólida de la tierra, el mismo que con el tiempo se ha ero sionado, ha sido transportado y sedimentado en las bocas de los rios y sobre el fondo de mares prehistóricos. Ejemplos de rocas sedimen tarias son: areniscas, pizarras, calizas.

ROCAS METAMORFICAS

Las rocas metamórficas están formadas a partir de rocas eruptivas o sedimentarias. La influencia de la presión, de la temperatura o del inter cambio de elementos con el ambiente circundante transforma su estructura y composición

Rocas metamórficas LeptitaGneissAnfíbolesCuarcitaMármol ó caliza cristalina

Origen

Lava volcánica GranitoDiabasa, basalto Areniscas de cuarzo Calizas

ESTRUCTURAS

Las diferentes especies de roca pueden también ser clasificadas de acuerdo a su propia estructura. Si los granos de los minerales están mezclados en una masa homogénea, la roca es masiva, por ejemplo: el granito. En una roca de especie laminada los granos de minerales están arreglados según capas ó láminas.

PERFORABILIDAD, DUREZA, TAMAÑO DEL GRANO, ABRASIVIDAD

La perforabilidad de una roca depende, entre otras cosas, de la dureza de los minerales incluidos y del tamaño de los granos de los mismos. El cuarzo es uno de los minerales formadores de roca más común. Como el cuarzo es muy duro, un alto contenido de cuarzo (índice de dióxido de silicio) hará que la roca sea más difícil de perforar ya que deriva un mayor desgaste en las herramientas de perforación. La roca, en este caso, es abrasiva. En contraste, una roca con un alto contenido de calcita es fácilmente perforada y origina reducido desgaste de herramientas de perforación. La roca es poco abrasiva.

RESISTENCIA A LA COMPRESIÓN

La resistencia compresiva de una roca es la medida que traduce la capacidad de una muestra de roca para resistir a una carga estática aplicada sobre ella, hasta que la misma se quiebre. Esta magnitud a menudo es usada para medir la perforabilidad de las rocas.

Si la estructura de la roca es de granulometría gruesa, la perforación será más fácil y habrá menos abrasividad, en comparación con una roca con una estructura de granulometría fina: consecuentemente, dos rocas con aproximadamente un mismo contenido de mineral pueden tener perforabilidades completamente diferentes.

En la mayoría de los casos es difícil clasificar una especie de roca, de acuerdo a su perforabilidad, dependiendo muchas veces las definiciones de un criterio a otro. Una indicación razonable de perforabilidad de roca puede ser obtenida estudiando la composición mineralógica, la granulometría y la estructura de la misma.

Para poder proporcionar recomendaciones detalladas en cuanto a perforación, normalmente es necesaria una prueba de perforación en el terreno.

PRINCIPIOS DE PERFORACIÓN DE ROCASTIPOS DE ROCA

Yeso Caliza Granito Taconita Arenisca Pizarra Cuarcita

Resistencia compresiva

500 1000 1500 2000 2500 3000 4000 5000 (kg / cm2)

7000 14000 21000 28000 35000 43000 57000 710000 ( psi)

Perforación por percusión----------------------------------------------------------------------------Perforación rotary con inserto de carburo de tungsteno-------------------------------------Perforación rotary con dientes de acero---------------------------------------------------------Rotación abrasiva Daimond Drills------------------------------------------------------------------

PERFORACION POR PERCUSIÓN

La perforación por percusión es el método más común y es usado en casi todos los tipos de roca, ya sea en perforación convencional ó en la de martillo en el fondo (down-the-hole).

PERFORACION ROTATIVA

Perforación por rotación/trituración es un método de intenso desarrol lo. Originalmente fue usado en perforación de pozos de petróleo, ahora está siendo cada vez más empleado en la perforación de voladura en minas a cielo abierto, en rocas cada vez más duras. El método es apli cable en perforación de rocas con una compresividad de hasta 5000 bar (kg/cm2).

PERFORACION ABRASIVO-ROTATIVA

La perforación por rotación abrasiva es normalmente usada en pros pección cuando se desea obtener una muestra o testigo; en este caso se usa una broca en forma de aro, con insertos de diamantes.

En perforación por percusión ó trituración y corte, una roca es fracturada al encontrarse sometida a una gran carga compresiva, por medio de un botón ó un inserto de carburo de tungsteno y luego desgarrada por rotación

RENDIMIENTO DE LAS BROCAS TRICÓNICASEl rendimiento de las brocas tricónicas, utilizando aire comprimido como medio para extraer las partículas cortadas tan rápido como se producen, reduciendo los costos de perforación y acelerando la velocidad de penetración depende de:a) Velocidad de rotación de la Broca.b) Presión ejercida sobre el fondo del Taladro.c) Volumen y velocidad de barrido del aire de limpieza.

A) VELOCIDAD DE ROTACIÓN DE LA BROCA

La experiencia ha demostrado que perforando entre 30 y 100 RPM, obtendremos adecuadas velocidades de penetración y un buen rendimiento por broca.Debido a que las propiedades del terreno pueden variar no solo de un taladro a otro, sino de un metro a otro dentro de un mismo taladro, es necesario utilizar ciertos criterios para tener una buena penetración en el taladro.A mayor dureza de la roca, utilizar mayor presión sobre el fondo (P/F), de 4,000 á 8,000lbs por pulgada de diámetro de broca y disminuir la velocidad de rotación (RPM), esto se hace, por que con mayor presión sobre el fondo (P/F), podemos vencer la resistencia a la Compresión, de la roca que se perfora, se disminuyen las revoluciones (RPM) ya que al aumentar la presión se generan grandes esfuerzos en los rodajes, dientes o insertos reduciéndose la vida de la broca

B) PRESIÓN SOBRE EL FONDO

Como hemos visto anteriormente, es necesario aplicar suficiente presión sobre la roca para vencer su resistencia a la compresión y luego desgarrarla mediante el giro y suficiente velocidad de limpieza para eliminar las partículas cortadas tan rápido como se forman. Las Brocas Tricónicas ó B. Rotary pueden perforar en la mayoría de las formaciones; sin embargo para obtener el máximo rendimiento en pies perforados y alta velocidad de penetración, con los subsecuentes ahorros en costo, debemos escoger el tipo de broca adecuado para la formación que se perfora.

En perforación rotary siempre debemos estar seguros de suministrar un volumen suficiente a una presiona adecuada para asegurar la vida optima de la broca, manteniendo la presión sobre el fondo y las revoluciones requeridas.

Se debe suministrar suficiente aire para producir una velocidad anular de retorno de por lo menos 5,000 fpm. Para materiales suaves y 7,000 fpm. Para materiales mas pesados, requiriendose 9,000 fpm para materiales muy pesados y presencia de barro.

Para determinar el volumen requerido, usamos la siguiente formula: Q-A*V; teniendo en cuenta que hay muy poca perdida de fricción debido al corto tramo existente entre la compresora y la broca.

VQ = ------------ (D2 - d2) 183.35Donde:Q = Volumen de aire circulado a condiciones Estandar.V = Velocidad de limpieza (fpm) D = Diámetro del taladro.d = Diámetro del tubo de perforación.En la figura adjunta se muestra los volúmenes de aire requerido en (fpm) necesarios para producir una velocidad de limpieza de 5,000 y 7,000 fpm.

C) VOLUMEN Y VELOCIDAD DE BARRIDO DEL AIRE DE LIMPIEZA

PERFORMANCE EN ALTURAPERFORMANCE EN ALTURA

La temperatura y la presión ambiental disminuyen con la altura tal como se muestra en el cuadro adjunto.

Dichos cambios afectan en la compresora el radio de compresión y por lo tanto la potencia del flujo de aire.

Los cambios en las condiciones ambientales también afectan la potencia disponible en las maquinas de combustión interna y rendimiento de motores eléctricos.

Como ejemplo supongamos que tenemos una compresora que entrega Q=1,600 CFM a nivel del mar; ¿que tamaño de compresora será necesario instalar para suministrar dicho volumen de aire a 4,000 msnm.? Para ello utilizamos como factor de corrección la densidad del aire a nivel del mar y a 4,000 msnm. 1.225Q4,000 = 1,600 CFM x ----------- = 2,393 ≈ 2,400 CFM 0.819

COMO REMOVER E INSTALAR LAS TOBERASCOMO REMOVER E INSTALAR LAS TOBERAS SELECCIÓN DE TOBERAS

Las perforadoras rotary en tamaños mayores a 6 ¾ in, tienen incorporado un sistema de limpieza con aire a alta velocidad el cual es dirigido hacia el fondo del taladro, circulando entre los conos;Para asegurar su limpieza enfriamiento y remover continuamente todas las particular de roca generadas con la perforación; se requiere unaVelocidad del aire de limpieza de 5000 a 7000 fpm y una caída de presión de descarga de por lo menos 40 psi, que se descompone como sigue:

Mínima caída de presión en la broca = 25 psiPerdidas en las tuberías y manguera = 10 psiMargen de seguridad = 5 psi --------Presión de descarga en la compresora = 40 psi

COMO REMOVER E INSTALAR LAS TOBERAS

COMO REMOVER E INSTALAR LAS TOBERAS

COMO REMOVER E INSTALAR LAS TOBERAS

BROCAS DE DIENTE DE ACEROBROCAS DE DIENTE DE ACEROCAÍDA DE PRESIÓN A TRAVÉS DE LA BROCA DE DIENTES DE ACERO, CON CAÍDA DE PRESIÓN A TRAVÉS DE LA BROCA DE DIENTES DE ACERO, CON

VARIOS TAMAÑOS DE TOBERASVARIOS TAMAÑOS DE TOBERAS

BROCAS DE INSERTOS DE CARBURO DE TUNGSTENO BROCAS DE INSERTOS DE CARBURO DE TUNGSTENO Volumen estándar de aire entregado en cfmVolumen estándar de aire entregado en cfm

CAÍDA DE PRESIÓN A TRAVÉS DE LA BROCA PARA VARIOS TAMAÑOS DE CAÍDA DE PRESIÓN A TRAVÉS DE LA BROCA PARA VARIOS TAMAÑOS DE TOBERASTOBERAS

DETALLES DE DISEÑO DE BROCAS ROTARYDETALLES DE DISEÑO DE BROCAS ROTARY

• En el diseño de brocas rótary, la principal limitación es el espacio, ya que el tamaño de los componentes está determinado por el diámetro del taladro.

• Los diferentes componentes: el espesor de los conos, el tamaño de los dientes o insertos, el diámetro de los rodajes, y la estructura de soporte deben estar bien balanceados para resistir el severo uso, que incluye: la abrasión, la presión sobre el fondo, y la temperatura que soporta la broca.

• Para determinar el contorno de los conos: ángulo interno del cono, tamaño y ángulo de los dientes o insertos, longitud y ángulo del talón, así como el ángulo del pin, se deben balancear las dimensiones de estos elementos , a fin de optimizar su diseño.

CONTINUA DETALLES DE DISEÑOCONTINUA DETALLES DE DISEÑO

• Finalmente los ejes de los conos están desplazados del eje de la broca a fin de ahorrar espacio y lograr una acción de arrastre y desgarre de la roca luego de haber sido vencida su resistencia a la compresión.

• Los rodajes son fabricados con aleaciones de acero al NI, Cr, Mo, y deben ser del mayor tamaño y número posible, para reducir su carga unitaria, prevenir su fatiga, pero sin comprometer el espesor de los conos, siendo forjados, templados y pulidos con grán precición.

COPNTINUA DETALLES DE DISEÑOCOPNTINUA DETALLES DE DISEÑO

• Los requerimientos metalúrgicos para cada uno de los componentes de la broca, sujetos a enormes cargas, alto desgaste por abrasión e impacto, deben ser fabricados con aleaciones cuidadosamente procesadas utilizando revestimiento y endurecimiento con aleaciones de carburo de tungsteno, para resistir los enormes esfuerzos a que son sometidas.

• Los dientes de los conos son fabricados con acero al Ni-Mo, forjados y carburizados con doble templado.

• Los conos con insertos de carburo de tungsteno son fabricados con aceros especiales , forjados, carburizados y templados en aceite.

En los cuadros siguientes se explica tanto los aspectos de diseño, los tipos de En los cuadros siguientes se explica tanto los aspectos de diseño, los tipos de broca y las formaciones que pueden perforarse con dichos tipos de brocabroca y las formaciones que pueden perforarse con dichos tipos de brocaExisten básicamente 4 tipos de brocas: B para perforaciones suaves, medias, Existen básicamente 4 tipos de brocas: B para perforaciones suaves, medias, duras, duras y abrasivas duras, duras y abrasivas

Brocas estándar de diente de acero en relación a las formaciones perforadas y aspectos básicos de diseños

Brocas de inserto de carburo de tungsteno en relación a las formacionesperforadas y aspectos básicos de diseño

BROCAS DE DIENTES DE ACEROBROCAS DE DIENTES DE ACERO

BROCAS DE INSERTO DE CARBURO DE TUNGSTENOBROCAS DE INSERTO DE CARBURO DE TUNGSTENO

Las brocas de inserto de carburo de tungsteno perforan 4 a 10 veces mas ft/brocas que las de Las brocas de inserto de carburo de tungsteno perforan 4 a 10 veces mas ft/brocas que las de dientes de acero, igualmente su velocidad de penetración es mayor, se recomienda no exceder la dientes de acero, igualmente su velocidad de penetración es mayor, se recomienda no exceder la presión de 2,000 a 4,000 lb/in de diámetro de broca igualmente la velocidad de rotación deben presión de 2,000 a 4,000 lb/in de diámetro de broca igualmente la velocidad de rotación deben mantenerse entre 50 y 80 RPM`s en caso contrario dañarían los rodajes y conos de las brocasmantenerse entre 50 y 80 RPM`s en caso contrario dañarían los rodajes y conos de las brocas ..

Drillability testDurante la etapa de planeamiento de una mina se requiere predecir costos de perforación, una forma de obtenerlos sería llevando una perforadora al proyecto, esto resulta muy caro, la otra es mediante pruebas de laboratorio.Micro bit test (Para formaciones suaves a duras).La prueba consiste en perforar una muestra representativa de roca con una broca de 11/4 de diámetro, montada en una perforadora y un torno para sujetar la muestra.La prueba estándar consiste en perforar 3/32 ´´, registrando el tiempo y el avance para cada 1/32´´de avance, con 60 RPM ´s, y 200 libras de pull down, luego se mide el desgaste en la broca, efectuándose tres o más pruebas, obteniéndose un promedio del avance y el desgaste en la broca.

Indentor test ( para formaciones muy duras)La prueba micro bit ha resultado exitosa para perforar formaciones suaves a duras pero no da buenos resultados para formaciones muy duras. La prueba Indentor consiste en penetrar la muestrs de roca con un inserto hemisférico de carburo de tungsteno de ¼ ´´ de diámetro, montada en una prensa hidráulica, aplicando presión hasta producir una astilla en la muestra de roca, estableciendo luego de varias pruebas un promedio,Estimados de perforabilidadPreviamente se han preparado tablas con las estadísticas de performance con brocas de tamaño real en diferentes minas, con muchas muestras, tanto en operaciones reales como en laboratorio, determinando la P/F, RPM´s y el avance en pies / minuto. Basándose en la data obtenida con las pruebas de Micobit e Indentor y las tablas elaboradas se determina el tipo de broca, la vida de la broca y los pies peforados / hora.

Dull bitsPara obtener máximos pies perforados y avance en Pies /hora, con la subsiguiente reducción de costos, debemos seleccionar la broca adecuada para la formación que se perfora, con el adecuado pull down, RPM´s y adecuada velocidad de limpieza El examen cuidadoso de las brocas desgastadas nos puede dar valiosa información para recomendar el tipo adecuado de broca que se requiere y/o si tenemos deficiencias en las operaciones, baja velocidad del aire de limpieza u obstrucción en los ductos de aire.En la fig. 29 se nota la rotura excesiva de dientes en una broca tipo ´´S´´, que puede ser causada por aplicar excesiva P/F y/o RPM´s, en una formación dura.

En la figura 30 se muestra una broca tipo ´´M´´, con excesiva rotura de dientes , debido probablemente a perforar en roca dura con excesivo P/F y/o RPM´s,

La figura 31 muestra una broca tipo ´´H´´, muy desgastada por perforar en una formación dura y abrasiva que requiere una broca tipo ´´HR´´.

La figura 32 muestra el desgaste típico de una broca ´´HH 33´´(para perforar formaciones blandas),con excesivo desgaste en la matríz por perforar rocas abrasivas con la broca equivocada.

L figura 33 ilustra la excesiva rotura de insertos en el talòn (heel) debido probablemente a perforar con una broca ``HH 44``en roca excesivamente dura.

La figura 34 muestra los hilos del shank dañados por efectuar una mala conexión ( por bajar con demasiada velocidad el tren de perforación), o por utilizar un tubo de perforación arqueado.

La figura 35 muestra desgaste irregular en los conos debido probablemente a utilizar tubos de perforación (drill pipe) arqueados.

La figura 36 muestra severa erosión en la matriz de los conos y cola de camisa (shirt tail) debido probablemente a baja velocidad anular de limpieza u obstrucción en los ductos o demasiada densidad y/o humedad del material perforado.

La figura 37 muestra el desgaste producido por un cono obstruido o que no gira pues los ductos de aire se han tapado o hay baja velocidad de limpieza.

FRACTURAS EN LA SOLDADURA INDICAN QUE LA BROCA A ENCONTRADO UNA ROCA MUY DURA O QUE EL TREN DE PERFORACION A IMPACTADO A ALTA VELOCIDAD EN EL FONDO

Ejercicio para resolver:Para la perforadora 60R del ejercicio resuelto, perforando: en roca dura, con brocas de 12 ¼ Φ, tubos de perforación de 10 ¾ Φ, a 3,900 msnm, si se requiere una velocidad anular de limpieza de 5,000 ft/min. ¿Calcular capacidad de la compresora (CFM), el diámetro de pitones y recomendar el tipo de Brocas de inserto de carburo de tungsteno a ser usada?

Tránsito a la izquierdaTránsito a la izquierda

Datos de diseño y producciónDatos de diseño y producción

Cargío de explosivosCargío de explosivos

¡¡¡ GRACIAS!!!!¡¡¡ GRACIAS!!!!