TOPICOS DE MINERIA A CIELO

ABIERTO PERFORACION

EXPOSITOR:

ING JORGE DIAZ ARTIEDA

INTRODUCCION

A nivel mundial, mas del 90% de la explotacin minera es efectuada a

tajo abierto, la razn de ello es que cada vez se requiere explotar

depsitos con mas bajo valor unitario, lo cual solo es econmicamente

factible trabajando con grandes volmenes. Por otra parte las

industrias que fabrican equipo minero pueden suministrado en

tamaos cada vez mas grandes y eficientes as: palas elctricas de

80/120 yd3, camiones de 300/400 Tcs, perforadoras capaces de

perforar dimetros de 14 a 16 pulgadas, as como gigantes

cargadores frontales, bulldozers y motoniveladoras para apoyar al

equipo principal.

La perforacin y voladura constituyen uno de los mas importantes

procesos que se efectan en minera superficial; ambas estn

ntimamente ligadas y pese a que su costo solo representa 12/18% del costo directo de minado (para un wor =3:1, el costo de carguo 23% y el de acarreo = 53%. Sin embargo su influencia en la

produccin y productividad de las operaciones mineras a tajo abierto

es crtica puesto que una buena fragmentacin del material disparado,

reduce los costos de carguo, acarreo y chancado en la

concentradora.

PERFORACIN

La invencin de las brocas Tricnicas en 1909 permiti perforar rocas duras a

menor costo y con mayores velocidades de penetracin. (1 - 1.5ft/min.),

extendindose su uso tanto en minera superficial, subterrnea (taladro piloto en

las Raise Borers), como en petrleo, debido a que con el tiempo se introdujeron

mejoras en el diseo, metalurgia y practicas de perforacin. Para una mejor

comprensin de estos factores en las pginas 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 segn su gnesis, su

estructura, perforabilidad, una tabla de resistencia a la compresin y mtodos, de

perforacin para diferentes tipos de roca

MINERALES

Los minerales ms 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 Fcilmente triturado entre los dedos

2. Yeso Fcilmente rayado con la ua

3. Calcita, Mica Difcilmente rayada con la ua

4. Florita Fcilmente rayada con una cuchilla

5. Apatito, Horblenda Eficazmente rayada con una cuchilla

6. Feldespatos Difcilmente rayados con una cuchilla

7. Cuarzo Raya el vidrio, Rayado con aceros especiales

8. Topacio Raya el vidrio. Rayado con berilo (agua marina)

9. Corindn Raya el vidrio. Rayado con diamante

10.Diamante Raya el vidrio

Las diferentes especies de roca son clasificadas en 3 grupos, en concordancia con la

manera en que fueron formadas:

ROCAS ERUPTIVAS

Las rocas eruptivas son formadas por las masas mantas de lava (magma)

solidificados y cristalizados.

Si un magma es solidificado lentamente y sometido a una presin alta, a gran

profundidad, se forma una roca de cristales mayores y grano grueso como el

granito, la monzonita, etc.

Cuando un magma emerge ms prximo a la superficie de la tierra, en forma de

lava, las masas se enfriarn ms rpidamente y formarn una roca con

granulacin ms fina, como el basalto, prfido y diabasa.

ROCAS SEDIMENTARIAS

Las rocas sedimentarias estn formadas por el material intemperizado de la

corteza slida de la tierra, el mismo que con el tiempo se ha erosionado, ha sido

transportado y sedimentado en las bocas de los rios y sobre el fondo de mares

prehistricos. Ejemplos de rocas sedimentarias son: areniscas, pizarras, calizas.

ROCAS METAMORFICAS

Las rocas metamrficas estn formadas a partir de rocas eruptivas o

sedimentarias. La influencia de la presin, de la temperatura o del intercambio de

elementos con el ambiente circundante transforma su estructura y composicin

Rocas metamrficas

Leptita

Gneiss

Anfboles

Cuarcita

Mrmol caliza cristalina

Origen

Lava volcnica

Granito

Diabasa, basalto

Areniscas de cuarzo

Calizas

ESTRUCTURAS

Las diferentes especies de roca pueden tambin ser clasificadas de acuerdo a su

propia estructura. Si los granos de los minerales estn mezclados en una masa

homognea, la roca es masiva, por ejemplo: el granito. En una roca de especie

laminada los granos de minerales estn arreglados segn capas lminas.

PERFORABILIDAD, DUREZA, TAMAO DEL GRANO, ABRASIVIDAD

La perforabilidad de una roca depende, entre otras cosas, de la dureza de los

minerales incluidos y del tamao de los granos de los mismos. El cuarzo es uno

de los minerales formadores de roca ms comn. Como el cuarzo es muy duro, un

alto contenido de cuarzo (ndice de dixido de silicio) har que la roca sea ms

difcil de perforar ya que deriva un mayor desgaste en las herramientas de

perforacin. La roca, en este caso, es abrasiva. En contraste, una roca con un alto

contenido de calcita es fcilmente perforada y origina reducido desgaste de

herramientas de perforacin. La roca es poco abrasiva.

RESISTENCIA A LA COMPRESIN

La resistencia compresiva de una roca es la medida que traduce la capacidad de una muestra de roca para resistir a una carga esttica 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 granulometra gruesa, la perforacin ser ms fcil y habr menos abrasividad, en comparacin con una roca con una estructura de granulometra fina: consecuentemente, dos rocas con aproximadamente un mismo contenido de mineral pueden tener perforabilidades completamente diferentes.

En la mayora de los casos es difcil clasificar una especie de roca, de acuerdo a su perforabilidad, dependiendo muchas veces las definiciones de un criterio a otro. Una indicacin razonable de perforabilidad de roca puede ser obtenida estudiando la composicin mineralgica, la granulometra y la estructura de la misma.

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

PRINCIPIOS DE PERFORACIN DE ROCAS

TIPOS 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)

Perforacin por percusin----------------------------------------------------------------------------

Perforacin rotary con inserto de carburo de tungsteno-------------------------------------

Perforacin rotary con dientes de acero---------------------------------------------------------

Rotacin abrasiva Daimond Drills------------------------------------------------------------------

PERFORACION POR PERCUSIN

La perforacin por percusin es el mtodo ms comn y es usado en casi todos los

tipos de roca, ya sea en perforacin convencional en la de martillo en el fondo

(down-the-hole).

PERFORACION ROTATIVA

Perforacin por rotacin/trituracin es un mtodo de intenso desarrollo.

Originalmente fue usado en perforacin de pozos de petrleo, ahora est siendo

cada vez ms empleado en la perforacin de voladura en minas a cielo abierto, en

rocas cada vez ms duras. El mtodo es aplicable en perforacin de rocas con una

compresividad de hasta 5000 bar (kg/cm2).

PERFORACION ABRASIVO-ROTATIVA

La perforacin por rotacin abrasiva es normalmente usada en prospeccin

cuando se desea obtener una muestra o testigo; en este caso se usa una broca en

forma de aro, con insertos de diamantes.

En perforacin por percusin trituracin y corte, una roca es fracturada al encontrarse sometida a una gran carga compresiva, por medio de un botn un inserto de carburo de tungsteno y luego desgarrada por rotacin

En perforacin por percusin trituracin y corte, una roca es fracturada al

encontrarse sometida a una gran carga compresiva, por medio de un botn

un inserto de carburo de tungsteno y luego desgarrada por rotacin

RENDIMIENTO DE LAS BROCAS TRICNICAS

El rendimiento de las brocas tricnicas, utilizando aire comprimido como medio

para extraer las partculas cortadas tan rpido como se producen, reduciendo los

costos de perforacin y acelerando la velocidad de penetracin depende de:

a) Velocidad de rotacin de la Broca.

b) Presin ejercida sobre el fondo del Taladro.

c) Volumen y velocidad de barrido del aire de limpieza.

A) VELOCIDAD DE ROTACIN DE LA BROCA

La experiencia ha demostrado que perforando entre 30 y 100 RPM, obtendremos

adecuadas velocidades de penetracin 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 penetracin en el taladro.

A mayor dureza de la roca, utilizar mayor presin sobre el fondo (P/F), de 4,000

8,000lbs por pulgada de dimetro de broca y disminuir la velocidad de rotacin

(RPM), esto se hace, por que con mayor presin sobre el fondo (P/F), podemos

vencer la resistencia a la Compresin, de la roca que se perfora, se disminuyen

las revoluciones (RPM) ya que al aumentar la presin se generan grandes

esfuerzos en los rodajes, dientes o insertos reducindose la vida de la broca

B) PRESIN SOBRE EL FONDO

Como hemos visto anteriormente, es necesario aplicar suficiente presin sobre

la roca para vencer su resistencia a la compresin y luego desgarrarla mediante

el giro y suficiente velocidad de limpieza para eliminar las partculas cortadas tan

rpido como se forman.

Las Brocas Tricnicas B. Rotary pueden perforar en la mayora de las

formaciones; sin embargo para obtener el mximo rendimiento en pies

perforados y alta velocidad de penetracin, con los subsecuentes ahorros en

costo, debemos escoger el tipo de broca adecuado para la formacin que se

perfora.

En perforacin rotary siempre debemos estar seguros de suministrar un volumen suficiente a una presiona adecuada para asegurar la vida optima de la broca, manteniendo la presin 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 friccin debido al corto tramo existente entre la compresora y la broca.

V

Q = ------------ (D2 - d2)

183.35

Donde:

Q = Volumen de aire circulado a condiciones Estandar.

V = Velocidad de limpieza (fpm)

D = Dimetro del taladro.

d = Dimetro del tubo de perforacin.

En la figura adjunta se muestra los volmenes 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 ALTURA

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

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

Los cambios en las condiciones ambientales tambin afectan la potencia disponible en las maquinas de combustin interna y rendimiento de motores elctricos.

Como ejemplo supongamos que tenemos una compresora que entrega Q=1,600 CFM a nivel del mar; que tamao de compresora ser necesario instalar para suministrar dicho volumen de aire a 4,000 msnm.?

Para ello utilizamos como factor de correccin la densidad del aire a nivel del mar y a 4,000 msnm.

1.225

Q4,000 = 1,600 CFM x ----------- = 2,393 2,400 CFM 0.819

COMO REMOVER E INSTALAR LAS TOBERAS SELECCIN DE TOBERAS

Las perforadoras rotary en tamaos mayores a 6 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 perforacin; se requiere una

Velocidad del aire de limpieza de 5000 a 7000 fpm y una cada de presin de descarga de por lo menos 40 psi, que se descompone como sigue:

Mnima cada de presin en la broca = 25 psi

Perdidas en las tuberas y manguera = 10 psi

Margen de seguridad = 5 psi

--------

Presin 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 ACERO

CADA DE PRESIN A TRAVS DE LA BROCA DE DIENTES DE ACERO, CON

VARIOS TAMAOS DE TOBERAS

BROCAS DE INSERTOS DE CARBURO DE TUNGSTENO

Volumen estndar de aire entregado en cfm

CADA DE PRESIN A TRAVS DE LA BROCA PARA VARIOS TAMAOS DE

TOBERAS

DETALLES DE DISEO DE BROCAS ROTARY

En el diseo de brocas rtary, la principal limitacin es el espacio, ya que el tamao de los componentes est determinado por el

dimetro del taladro.

Los diferentes componentes: el espesor de los conos, el tamao de los dientes o insertos, el dimetro de los rodajes, y la estructura de

soporte deben estar bien balanceados para resistir el severo uso,

que incluye: la abrasin, la presin sobre el fondo, y la temperatura

que soporta la broca.

Para determinar el contorno de los conos: ngulo interno del cono, tamao y ngulo de los dientes o insertos, longitud y ngulo del

taln, as como el ngulo del pin, se deben balancear las

dimensiones de estos elementos , a fin de optimizar su diseo.

CONTINUA DETALLES DE DISEO

Finalmente los ejes de los conos estn desplazados del eje de la broca a fin de ahorrar espacio y lograr una

accin de arrastre y desgarre de la roca luego de haber

sido vencida su resistencia a la compresin.

Los rodajes son fabricados con aleaciones de acero al NI, Cr, Mo, y deben ser del mayor tamao y nmero

posible, para reducir su carga unitaria, prevenir su fatiga,

pero sin comprometer el espesor de los conos, siendo

forjados, templados y pulidos con grn precicin.

COPNTINUA DETALLES DE DISEO

Los requerimientos metalrgicos para cada uno de los componentes de la broca, sujetos a enormes cargas, alto desgaste por abrasin 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.