Tecnologias Emergentes Para La Perforacion en La Mineria

1 Nodo Tecnológico Minero de la Región de Coquimbo. Departamento de Ingeniería de Minas. Universidad de La Serena.

Tecnologías emergentes en equipos de perforación para minería

Emerging technologies in drilling equipment for mining

RESUMEN

Este trabajo pretende entregar una metodología para la búsqueda y recopilación de

Información/Datos necesarios para encontrar soluciones innovadoras relacionadas con el

área de perforación de rocas ligada a la industria minera. Las etapas de investigación y

recopilación de datos consistieron en una vigilancia tecnológica (tecnologías disponibles

y/o emergentes), vigilancia comercial (clientes, mercados, proveedores), revisión de

patentes (como fuente de información), detención de tecnologías emergentes y estudio de

las tendencias en investigación, todo esto a través de distintos software, base de datos y

páginas web (Delphion, Scirus, Copernic e Infomine).

Dentro de los principales resultados encontrados se considera un equipo de última

generación para la perforación de desarrollos verticales y/o semi-verticales y representa una

opción totalmente innovadora ya que no existe un producto de tales características en el

mercado ofreciendo una alternativa importante en aspectos de seguridad y eficiencia en la

mencionada operación minera.

Palabras Claves: Vigilancia Tecnológica, Desarrollos verticales y/o Semi-verticales,

Boxhole borer.

ABSTRACT

This paper intended to provide a methodology for search and collection of information /

data necessary to find innovative solutions related to rock drilling area linked to the mining

industry. The stages of research and data collection consisted of a technology watch,

(technologies available and / or emerging), commercial surveillance (customers, markets,

suppliers), review of patents (as a source of information), arrest of emerging technologies

and study trends in research, all using different software, based data and web pages

(Delphion, Scirus, Copernic and Infomine).

Among the main results found is considered art equipment for the drilling of vertical

development and / or semi-vertical and represents a completely innovative option since

there is not a product of such properties on the market offering an important alternative in

areas of safety and efficiency in mining operation.

Keywords: Technology watch, drilling of vertical development and / or semi-vertical,

Boxhole borer.


I.INTRODUCCIÓN

En lo referente a la minería subterránea, Chile

es conocido por sus grandes minas operadas

principalmente por Codelco (El Teniente,

Andina, El Salvador y el proyecto Mina

Chuquicamata Subterránea próximamente a

ejecutarse) y algunas otras privadas de

mediana minería. Sin embargo no todos

saben que existen alrededor de 40 minas de

cierta importancia por su relativamente larga

vida útil. Varias de ellas han experimentado

el paso por diferentes etapas de desarrollo

tecnológico en cuanto a los equipos de

perforación. Es también conocido que los

trabajos de construcción de chimeneas de

ventilación, piques de traspaso de mineral o

estéril, chimeneas pilotos para zanjas o bateas

u otros representan un desafío en términos de

seguridad, complejidad y laboriosidad, es por

ello que los últimos trabajos de los inventores

en esta materia apuntan a la confección y

diseño de equipos que ofrezcan más

seguridad a los operadores y por otra parte

mejorar la eficiencia para tratar de reducir los

costos en los distintas etapas de la

construcción minera.

A través de las herramientas entregadas en la

asignatura de Gestión de la innovación y

vigilancia tecnológica se realizó un estudio de

la materia con el objetivo de encontrar una

propuesta que en un futuro pueda ser aplicada

por alguna empresa del rubro.

II. OBJETIVOS

Realizar un estudio de mercado para

revisar la oferta tecnológica de

equipos mineros

Realizar una vigilancia tecnológica

para revisar las últimas tendencias

mundiales en equipos de perforación.

Estudiar los fundamentos de nuevos

sistemas y/o equipos que están siendo

creados en perforación de rocas.

Revisar en una base de datos, las

patentes de equipos creados en

perforación.

Encontrar una solución o propuesta

de equipos diferente a la existente

actualmente en el mercado

III. METODOLOGÍA

La metodología de este trabajo consistió en

realizar una vigilancia tecnológica de las

últimas tendencias en el área de perforación,

para esto se utilizaron tres herramientas:

Copernic: Metabuscador, realiza

búsqueda avanzada en cuestiones de

tendencias de mercado y productos.

Scirus: Buscador de publicaciones

científicas, útil para revisión de

fundamentos teóricos de un invento.

Delphion: Base de datos de patentes

mundial, contiene información

Productos patentados en el mundo.


IV. ANTECEDENTES

4.1. Situación actual de la Perforación en

minería subterránea: Desarrollos

verticales y semiverticales

Los desarrollos verticales y/o semiverticales

se refieren a las chimeneas de conexiones

entre niveles por acceso, chimeneas de

ventilación, piques de traspaso de mineral o

estéril, chimeneas piloto para la construcción

de zanjas o bateas (Slot Raise) u otros.

Es un hecho bien conocido, que las

construcciones de desarrollos verticales o

semiverticales siempre eran y son un desafío

en término de seguridad, complejidad y

laboriosidad. Más recientemente ha habido

avance en los métodos verticales, con el

objetivo de mecanizar más la operación y por

consiguiente, eliminar la tronadura

minimizando la exposición de las personas a

incidentes potenciales.

Las condiciones más simples para estos

trabajos son cuando se dispone de dos niveles

accesibles (nivel inferior y superior). Esto

permite la utilización de equipos

escariadores, donde se perfora un taladro

piloto de pequeño diámetro, llamado piloto,

en sentido descendente. Una vez que se llega

al punto de conexión, se coloca una cabeza

ensanchadora del diámetro que se desea

obtener y se tira hacia arriba de modo que la

cabeza asciende excavando y dejando el

escombro en el túnel inferior. Este sistema es

bien establecido y muy común, especialmente

por las chimeneas largas y de gran diámetro.

Otra opción para este tipo de desarrollo, es a

través de la tronadura, usando el “drop raise”

o contramina a perforación descendente. El

barreno es perforado descendentemente

desde arriba por todo el largo de la chimenea

deseado. La carga del explosivo viene

concentrada en el fondo del barreno y tronado

en etapas, permitiendo la caída del material al

nivel inferior sin el bloqueo de la excavación.

En el caso contrario, cuando no hay nivel un

nivel superior desarrollado y abierto de

acceso de equipos, se dispone de una sola

opción para construir la excavación de abajo

hacia arriba. Los métodos disponibles son:

Contracielo o “Raise boring”

tradicional de perforación y

tronadura.

Contracielo a perforación de barrenos

largos (donde se perfora el tiro entero

y se trona la totalidad del tiro al

mismo tiempo.

Contracielo ALIMAK (patentado)

que consiste en una plataforma que

sube y baja de una guiadera que se va

sujetando a la pared de la chimenea

según se va ascendiendo. Los

mineros trabajan desde la plataforma,

perforando a mano en forma

ascendente con un pequeño techo

dando un cierto grado de protección.

“Blindhole raisborer”: excavación

mecánica ascendente y ciega

utilizando un contracielo invertido

empujado en vez de tirar.

“Boxhole borer”: excavación

mecánica ascendente y ciega

utilizando una pequeña maquina

tunelera.

V. RESULTADOS OBTENIDOS

Desarrollos verticales y semiverticales:

Sandvik Boxhole Borer- Sandvik MD 320

5.1.2. Historia del equipo

Esta maquina fue desarrollada junto con

compañías mineras buscando una tecnología

que podía satisfacer sus necesidades.

Inicialmente fue construido para el mercado

del platino de Sudáfrica para chimeneas

relativamente cortas. Los requerimientos

principales fueron:


Mejorar la seguridad minimizando lo

más posible la exposición de personal

en desarrollos verticales, las que

presentan zonas de alto peligro y

asociados a muchos accidentes

fatales.

Aumentar la velocidad de corte.

Minimizar el tiempo de desarrollo de

las chimeneas creando un sistema

más continuo y disminuyéndola tasa

de avance del ciclo completo

ayudando a reducir los costos

operacionales

Disminuir los tiempos de instalación

y desinstalación del equipo,

mejorando el tiempo de excavación

de la chimenea y reduciendo el

tiempo de obstrucción del acceso.

Facilitar el traslado del equipo de un

lugar o nivel de la mina a otro

Fácil de operar y mantener.

5.2. Diseño del equipo

El concepto es similar a una maquina TMB

(Tunnel Boring Machine), lo que significa

que no es soportado por barras, sino es auto-

soportado por un sistema de gatos

hidráulicos. El equipo completo fue diseñado

con un concepto modular para mejorar su

flexibilidad y maniobra. Viene en tres

unidades: la primera con la cabeza de corte y

el tubo de lanzamiento, segunda unidad

formada por la cabina del operador y carro de

suministro, y finalmente, el carrete del cable.

El equipo es diseñado para maniobrar y

trasladarse en una sección recomendada de

3,5x3, 5 m.

Unidad de Corte

5.2.1. Cabeza de corte

La cabeza consiste de seis cortadores y una

broca piloto de 15 pulgadas posicionada en el

centro. Existen dos raspadores en la

circunferencia para direccionar la roca

cortada a la apertura para después caer por la

excavación.

La gran ventaja de este sistema es el contacto

directo entre la cabeza de corte y el cojinete

principal y engranaje corte. Eso ayuda a

asegurar el funcionamiento sin

complicaciones. La variación de la velocidad

de la cabeza de 0 a 18 RPM permite un ajuste

sensible por el proceso de iniciación del tiro y

también para anticipar diferentes geologías.

Esta disponible como opcional una cabeza de

corte para aplicaciones especiales, en donde

la superficie externa parece casi plana y los

cortadores están en receso. Esta

configuración evita que la cabeza se detenga

en roca muy fracturada y con mucha

presencia de bloques.

Cabeza de corte


5.2.2. Unidad de Corte

Como se ha mencionado anteriormente, el

equipo es muy compacto y de bajo perfil para

asegurar su versatilidad y transporte en

túneles de pequeñas dimensiones. Eso

significa que la dimensión de la unidad de

corte es solo 3,2 m de largo y 1,6 de

diámetro, permitiendo un avance inicial en la

excavación de 500 mm.

Como en un TBM normal, la maquina viene

direccionada adelante a través de dos gatos

expandibles que soportan los esfuerzos de

reacción radial de la cabeza de corte. La parte

inferior de los gatos de adelante sirve para

referencia y direccionamiento y la parte

delantera se extiende vía cilindros

hidráulicos. En la posición retractada, los

gatos de adelante dejan un espacio libre de

100 mm comparado con el diámetro de la

cabeza. Estos gatos son esenciales para el

avance de la máquina, dado que están hechos

de acero y masivos para transferir los

esfuerzos necesarios a la roca, incluso si las

condiciones rocosas no son ideales. Además,

para evitar la resbalada de la roca, los gatos

son montados con nueve clavos TC. Para

proteger la máquina contra el daño, todos los

movimientos están observados a través de

censores. Si los componentes se están

moviendo fuera de sus límites, el operador

será avisado o el movimiento del equipo será

apagado automáticamente.

Dado que el equipo trabaja siempre en

inclinaciones es necesario tener unos gatos

hidráulicos adicionales en la parte inferior de

la unidad, llamado gatos de seguridad. Estos

gatos son de dimensiones inferiores y

también son montados con claves y aseguran

que la maquina no deslice en el caso que el

esfuerzo de los gatos principales sea liberado.

Además de afirmar la unidad, estos gatos se

activan automáticamente en el caso que halla

una falla hidráulica, una rotura de manguera o

si algo imprevisto sucede.

5.2.3. Tubo de lanzamiento

La unidad de corte viene transportada en un

tubo de protección, que es utilizado también,

como el tubo de lanzamiento. El tubo es

esencial para el lanzamiento y el alineamiento

de la maquina. Se dispone de cuatro cilindros

hidráulicos, dos para levantar la unidad de

corte a la inclinación deseada, y los otros dos

para el soporte de piso para el esfuerzo

vertical. Además dos puntales son utilizados

para sostener el tubo con la pared del túnel.

El interno del tubo es como una escalera y

permite que la maquina ascienda afuera del

tubo sin aplicar grandes esfuerzos. Después

de que la excavación inicial de 500 mm se ha

realizado y la unidad esta firme en la roca, los

esfuerzos dejan de ser transferidos al tubo de

lanzamiento.


5.2.4. Carro de suministro y cabina del

operador.

El funcionamiento del Boxhole borer es

electrohidráulico y el “power pack”

hidráulico es ubicado en el carro de

suministro con la cabina del operador. Todas

las funciones del equipo vienen visualizadas

en grandes pantallas a bordo de la cabina. La

maquina viene operada a través de botones y

un computador integrado.

La unidad de corte es conectada al carro de

suministro vía una serie de mangueras y un

cable de control para los solenoides situado

en la unidad. Para chimeneas cortas (menos

de 30 m), las mangueras pueden ser

enrolladas cerca de la maquina. Para las

excavaciones mas largas de hasta 100 m, se

requiere el carro portacables.

Es importante destacar que el carro de

suministro sirve también como carro de

potencia que traslada a las otras unidades

cuando está conectado. Además es la única

unidad montada sobre grúa.

El “power pack” viene enfriado a través de un

intercambiador de calor de aceite y agua. El

agua de enfriamiento debería correr hasta el

power pack y luego regresar en una línea

separada o descargada en una cuneta si hay

disponible.

5.3 Características del equipo.

Diámetro de la cabeza de corte de

1,6m.

Avance neto de corte aprox. 1,5

m/hrs efectivo de corte.

Alcance actual aprox. 100 m.

Inclinación 0° a 90°.

Funciona electrohidráulicamente

Disponible en dos versiones, para

transporte sobre rieles o con orugas y

neumáticos.

Tiempo de instalación y

desinstalación muy corto.

Remueve al personal de un lugar de

trabajo con alto peligro

Diseño de maquina confiable.

5.4. Experiencia con la tecnología

Voest-alpine dergtechnik GmbH (VAB),

ahora perteneciente a Sandvik, fue una

compañía muy conocida en el mundo

tunelero y tiene mucha experiencia con

equipos TBM y roadheaders. Por eso, el

equipo Boxhole borer MD320 es elaborado

en la fábrica Sandvik Austria. La fabrica

dispone de una “mina artificial”, en las cuales

se han hecho pruebas del funcionamiento del

sistema de seguridad y precauciones de

emergencia.

Hasta la fecha Sandvik ha tenido experiencias

con MD320 funcionando en Sudáfrica y

Portugal para minas de platino, oro y Zinc. La

experiencia ha mostrado que la maquina

puede operar y cortar roca de alta dureza. En

Portugal el UCS promedio del macizo rocoso

donde trabajaba el equipo era

aproximadamente 315 MPa con medidas

máximas de aproximadamente 440 MPa. Los

mejores avances obtenidos hasta la fecha

fueron de 2,4 m/h efectiva de corte en

Sudáfrica en roca tipo pegmatita, norita y

similares con UCS hasta 250 MPa. En estos

años de experiencia no se han observado

ningún caso de accidente causado por la

maquina o equipo relacionado con ello. Otro

gran beneficio del equipo es el tiempo

mínimo para la instalación y desinstalación

en comparación con otros métodos, sin

requerimiento de una base de hormigón o

fijar al piso. Una comparación estimativa se

muestra en la tabla:


5.5. Aplicación adicional para minería de

explotación por hundimiento.

Una nueva aplicación potencial para la

minería de explotación por hundimiento es en

desarrollo de chimeneas pilotos para la

construcción de zanjas. Actualmente el

desarrollo de chimeneas pilotos de las zanjas

es generalmente hecho a través de la

excavación mecánica ascendente y ciega

utilizando un contracielo invertido que

empuja la cabeza ensanchadora en vez de

tirar, el cual es conocido como “Blindhole

raiseboring”.

El Boxhole borer podría ser una alternativa

ya que generaría una gran diferencia en el

tiempo de ciclo por chimenea excavada,

principalmente por la movilidad de equipo y

corto tiempo de instalación y desinstalación,

sin el requerimiento de una base para ser

fijada en el piso. Adicionalmente se esperaría

un crecimiento en el avance neto de corte de

aproximadamente de 50%. Además eso

ayudaría a bajar el costo operacional de los

desarrollos de chimeneas.

El Boxhole borer no tendría problemas

evidentes en la logística con el diseño

estándar en el nivel de producción de una

mina de block o panel caving, debido a que

las chimeneas cortas (generalmente 12-16m)

no necesitarían el carro de portacables, lo que

reduce considerablemente el largo total del

equipo y el tiempo de traslado de este.

Además significaría que todas las unidades

del equipo estarían en la zanja durante la fase

de desarrollo, dejando libre las calles de

producción por el acceso

VI. CONCLUSIONES

Los avances en materia tecnológica no han

estado ajenos de los procesos mineros, en

razón de ellos la industria ha evolucionado

creando gran cantidad de equipos y

maquinarias innovadoras para hacer más

seguro y menos costosos la operación de

estos. En el caso del Boxhole borer fue

realizado para eliminar antiguas formas de

desarrollo vertical o semiverticales que si

bien son efectivas, son lentas e inseguras

provocando en muchos casos pérdidas

humanas. Con el sistema Boxhole borer, se

pretende agilizar la construcción de estas

labores con un costo operacional menor,

además de mejorar la seguridad minimizando

la exposición del personal a los desarrollos,

aumentar la velocidad de corte y disminuir

los tiempos de instalación y desinstalación

del equipo.

VII. RECOMENDACIONES

Es importante destacar la trascendencia de la

perforación de desarrollos verticales y/o

semi-verticales en la minería de producción y

los altos riesgos asociados a la operación

minera, de hecho la mayoría de los accidentes

de trabajadores en Codelco el año 2008

fueron a causa de la operación en un

desarrollo vertical (Según reporte de

sustentabilidad 2008 de Codelco).

Considero importante seguir estudiando estos

nuevos equipos (Boxhole borer) dado que

ofrecen un ambiente de trabajo seguro y

elimina la exposición de los operadores de el

desarrollo ofreciendo la manipulación del

equipo a través de un radio controlador. No

hay dudas que esta innovación propuesta por

la empresa sueca Sandvik marcará tendencias

en materia de desarrollo, investigación e

innovación por parte de la competencia

además de crear futuras mejoras al equipo en

cuestión.


VIII. REFERENCIAS

Kogler, P. (2008). Blind Boring System.

MassMin 2008, 5th International Conference

& Exhibition on Mass Mining Lulea,

Sweden, 523-533.

De La Vergne, J. (2006) HardRock Miners

Technical Dictionary in English/Spanish,

Edition I, 116,199.

Corporación Nacional del Cobre de Chile-

CODELCO Chile, (2008) Reporte de

Sustentabilidad 2008.

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