TRABAJO de TITULO Metodos Mecanicos en Perforacion de Roca

8/22/2019 TRABAJO de TITULO Metodos Mecanicos en Perforacion de Roca

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UNIVERSIDAD DE LA FRONTERA

FACULTAD DE INGENIERA CIENCIAS Y ADMINISTRACIN

DEPARTAMENTO DE INGENIERA MECNICA

M TODOS MEC NICOS EN LA PERFORACI N

DE ROCA

TRABAJO PARA OPTAR AL TTULO

DE INGENIERO MECNICO

PROFESOR GUIA: DR.ING. MARIO GUZMN VILLASE OR

ALUMNO : WILLIAMS AGUIL TECA

2011


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1. INDICE

2. Introduccin 33. Objetivos 44. Perforacin ha rotopercusin 54.1. Fundamento de la perforacin rotopercutiva 64.2. Proceso de la formacin de las indentaciones 144.3. Perforacin con martillo en cabeza 154.3.1. Perforacin neumtica 154.3.2. Principio de trabajo de un martillo neumtico 164.3.3. Caractersticas medias de martillo neumtico 20

4.3.4. Perforacin hidrulica 204.3.5. Principio de funcionamiento de un martillo hidrulico 214.3.6. Caractersticas medias de un martillo hidrulico 244.3.7. Diferencia y razones por la cual la perforacin hidrulicasupone mejora tecnolgica sobre la neumtico 24

4.4. Perforacin con martillo en el fondo 274.4.1. Ventajas de la perforacin con martillo en el fondo ,frente aotros sistemas 33

4.4.2. Desventajas la perforacin con martillo en el fondo ,frente aotros sistemas 34

4.5. Tipos de bocas o barrenas para la perforacin rotopercutiva 35

4.5.1. Bocas de botones 364.5.2. Bocas de pastillas 364.5.3. Bocas especiales 374.5.4. Bocas de martillo en el fondo 404.6. Cuidado y mantenimiento de bocas 414.6.1. Bocas de botones 414.6.2. Bocas de pastillas 444.6.3. Barrenas integrales 465. Perforacin rotativa 485.1. Sistema de rotacin 48

5.2. Perforacin rotativa con triconos 495.2.1. Mecanismos de corte de barrenas tricnicas 515.2.2. Esquema del tricono 565.2.3. Esquema del ngulo del cono ,longitud de diente y espesordel cono 57

5.2.4. Seleccin del tipo de tricono 585.2.5. Triconos de diente 60


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5.2.6. Triconos de insertos 615.2.7. Evaluacin de los triconos gastados 635.2.8. Desgaste ms comunes de triconos 655.3. Perforacin rotativa por corte 665.3.1. Tipos de bocas para perforacin por corte 67

5.3.2. Fundamento de la perforacin por corte 685.3.3. Clasificacin de las rocas segn su perforabilidad yabrasividad 74

5.3.4. tiles de corte 775.4. Tecnologa de cortador fijo 795.4.1. Perforacin direccional y barrenas especiales 955.4.2. Barrenas impregnadas de diamante 1006. Conclusin 1047. Bibliografa 108


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2. Introduccin

En la perforacin de rocas se han desarrollados mtodos muy diversos tales como

mecnicos, trmicos, qumicos, hidrulicos hasta nucleares (fusin y fisin),

siendo el ms usado actualmente el mtodo mecnico y a cuyo estudio se

dedicara este trabajo de ttulo.

La perforacin mecnica en rocas se utiliza principalmente en el campo de la

minera ya sea para la creacin de galeras y tneles o bien para el estudio de

suelo mediante sondeos .Tambin este sistema es empleado en campo de

hidrocarburos, principalmente en la creacin de pozos petroleros .Cabe destacar

su empleo en la obra civil especficamente el drenaje o en la creacin de pozos de

agua.

En el presente trabajo de ttulo se desarrollar un estudio detallado del mtodo

mecnico, principalmente de bocas o barrenas de perforacin que se utilizan

actualmente, detallando la teora de corte de cada una, materiales usados en su

fabricacin y la resistencia mecnica que cada una de estas herramientas tienen.


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3. Objetivos

3.1. Objetivo general

Realizar un estudio detallado de la perforacin mecnica en roca. Principalmente

de las bocas o barrenas utilizadas en este mtodo.

3.2. Objetivos especficos Definir cada tipo de mtodo mecnico en la perforacin en roca que existe

hoy en da.

Analizar el campo de aplicacin de cada mtodo mecnico.

Hacer una comparacin entre cada mtodo.

Analizar la teora de corte de cada una de las bocas o barrenas.

Analizar las exigencias mecnicas de estas herramientas.

Analizar la evolucin del diseo de las barrenas utilizadas por este mtodo.


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4. Perforacin ha rotopercusin

Esta denominacin engloba todas aquellas formas de perforacin en las que la

fragmentacin de la roca se produce bsicamente por impacto de un til de filo

ms o menos aguzado sobre la misma.

La perforacin a percusin es la ms utilizada en casi todos los tipos de roca,

tanto as el martillo se site en la cabeza como en el fondo del barreno.

En principio la perforacin de estos equipos se basa en el impacto de una piezade acero (pistn) que golpea por medio de un elemento final (boca).Los equipos

de roto percusin se clasifican en dos grandes grupos segn se encuentre

colocado el martillo:

Martillo en cabeza: En estas perforadoras dos de las acciones bsicas,

rotacin y percusin, se producen fuera del barreno transmitindose a

travs de una espiga y de varillas hasta la boca de perforacin.

Martillo en el fondo: La percusin se realiza directamente sobre la roca deperforacin, mientras que la rotacin se efecta en el exterior del barreno.


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4.1. Fundamentos de la perforacin rotopercutiva

La perforacin a rotopercusin se basa en la combinacin de las siguientesacciones (FIG.1):

Percusin: Los impactos producidos por el golpeo del pistn originan unas ondas

de choque que se transmiten a la boca a travs del varillaje (en el martillo en

cabeza) o directamente sobre ella (en el martillo en fondo).

Rotacin: Con este movimiento se hace girar la boca para que los impactos se

produzcan sobre la roca en distintas posiciones.

Empuje: Para mantener en contacto el til de perforacin con la roca se ejerce un

empuje sobre la sarta de perforacin.

Barrido: El fluido de barrido permite extraer el detrito del fondo del barreno.

FIG.1: Acciones bsicas en la perforacin rotopercutiva.


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Percusin: La energa cintica Ec del pistn se transmite desde el martillo hasta

la boca de perforacin, a travs del varillaje, en forma de onda de choque. El

desplazamiento de esta onda se realiza a alta velocidad y su forma depende

fundamentalmente del diseo del pistn.

Cuando la onda de choque alcanza la boca de perforacin, una parte de la energa

se transforma en trabajo haciendo penetrar el til y el resto se refleja y retrocede a

travs del varillaje. La eficiencia de esta transmisin es difcil de evaluar, pues

depende de muchos factores tales como: el tipo de roca, la forma y dimensin del

pistn, las caractersticas del varillaje, el diseo de la boca, etc. Adems, hay que

tener en cuenta que en los puntos de unin de las varillas por medio de manguitos

existen prdidas de energa por reflexiones y rozamientos que se transforman en

calor y desgastes en las roscas. En la primera unin las prdidas oscilan entre el 8

y el 10% de la energa de la onda de choque.

En los martillos en fondo la energa del pistn se transmite directamente sobre la

boca, por lo que el rendimiento es mayor.

En estos sistemas de perforacin la potencia de percusin es el parmetro que

ms influye en la velocidad de penetracin.

La energa liberada por golpe en un martillo puede estimarse a partir de cualquiera

de las expresiones siguientes:

= = Siendo:

= Masa del pistn.

= Superficie de la cara del pistn.

= Velocidad maxima del pistn. = Carrera del pistn. = Presin del fluido de trabajo (aceite o aire) dentro del cilindro .


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En la mayora de los martillos hidrulicos los fabricantes facilitan el valor de la

energa de impacto, pero no sucede lo mismo para los martillos neumticos.

Especial cuidado debe tomarse en este caso al estimar Pm, ya que dentro del

cilindro sta es de un 30 a un 40% menor que en el compresor, debido a las

prdidas de carga y expansin del aire al desplazarse el pistn.

La potencia de un martillo es pues la energa por golpe multiplicada por la

frecuencia de impactos ng:

= =

Teniendo en cuenta las expresiones anteriores puede escribirse:

= ( ) El mecanismo de percusin consume de un 80 a un 85% de la potencia total del

equipo.

Rotacin: La rotacin, que hace girar la boca entre impactos sucesivos, tienecomo misin hacer que sta acte sobre puntos distintos de la roca en el fondo del

barreno. En cada tipo de roca existe una velocidad ptima de rotacin para la cual

se producen el detritus de mayor tamao al aprovechar la superficie libre del

hueco que se crea en cada impacto. Cuando se perfora con bocas de pastillas las

velocidades de rotacin ms usuales oscilan entre 80 y 150 r/min, con unos

ngulos entre indentacines de 10 a 20, FIG.2. En el caso de bocas de botones

de 51 a 89 mm las velocidades deben ser ms bajas, entre 40 y 60 r/min, que

proporcionan ngulos de giro entre 5 y 7; las bocas de mayor dimetro requieren

velocidades incluso inferiores.


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Empuje: La energa generada por el mecanismo de impactos del martillo debe

transmitirse a la roca, por lo que es necesario que la boca se encuentre encontacto permanente con el fondo del barreno. Esto se consigue con la fuerza de

empuje suministrada por un motor o cilindro de avance, que debe adecuarse al

tipo de roca y boca de perforacin. Un empuje insuficiente tiene los siguientes

efectos negativos: reduce la velocidad de penetracin, produce un mayor desgaste

de varillas y manguitos, aumenta la prdida de apriete del varillaje y el

calentamiento del mismo. Por el contrario, si el empuje es excesivo disminuye

tambin la velocidad de perforacin, dificulta el desenroscado del varillaje,

aumenta el desgaste de las bocas, el par de rotacin y las vibraciones del equipo,

as como la desviacin de los barrenos. Al igual que sucede con la rotacin, esta

variable no influye de forma decisiva sobre las velocidades de penetracin.

(FIG.3).

FIG.2: Velocidades de rotacin para bocas de pastillas

y botones.


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Barrido: Para que la perforacin resulte eficaz, es necesario que el fondo de los

barrenos se mantenga constantemente limpio evacuando el detrito justo despus

de su formacin. Si esto no se realiza, se consumir una gran cantidad de energa

en la trituracin de esas partculas traducindose en desgastes y prdidas de

rendimientos, adems del riesgo de atascos. El barrido de los barrenos se realizacon un fluido aire, agua o espuma-que se inyecta a presin hacia el fondo a travs

de un orificio central del varillaje y de unas aberturas practicadas en las bocas de

perforacin. Las partculas se evacan por el hueco anular comprendido entre el

varillaje y la pared de los barrenos. (FIG.4).

El barrido con aire se utiliza en trabajos a cielo abierto, donde el polvo producido

puede eliminarse por medio de captadores. El barrido con agua es el sistema ms

utilizado en perforacin subterrnea que sirve adems para suprimir el polvo,aunque supone generalmente una prdida de rendimiento del orden del 10% al

20%. La espuma como agente de barrido se emplea como complemento al aire,

pues ayuda a la elevacin de partculas gruesas hasta la superficie y ejerce un

EMPUJE

VELOCIDAD

DE

PENETRACIO

N

FIG.3: Influencia del empuje sobre la velocidad depenetracin.


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efecto de sellado sobre las paredes de los barrenos cuando se atraviesan

materiales sueltos.

Las velocidades ascensionales para una limpieza. Eficiente con aire oscilan entre

los 15 y los 30 m/s. Las velocidades mnimas pueden estimarse en cada caso apartir de la expresin:

= , + ,Siendo:

= Velocidad ascensional

m

s

= Densidad de la roca (g/cm3) = Diametro de la particulas(mm)

FIG.4: Principio de barrido de un barreno.


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As, el caudal que debe suministrar el compresor ser:

= ( )

,

Siendo:

= Caudal( m3min

)

= Diametro del barreno(m) = Diametrode las varillas (m)Cuando se emplea agua para el barrido la velocidad ascensional debe estar

comprendida entre 0,4 y 1 m/s. En estos casos, las presiones estn limitadas entre

0,7 y 1 MPa para evitar que dicho fluido entre en el martillo. En el caso del aire,

con martillos en cabeza, no es frecuente disponer de un compresor de presin

superior nicamente para el barrido. Slo en el caso de los martillos en fondo se

utilizan compresores de alta presin (1-1,7 MPa) porque adems de servir para

evacuar el detrito se aumenta la potencia de percusin. Un factor que es precisotener en cuenta para estimar el caudal de barrido es el de las prdidas de carga

que se producen por las estrechas conducciones que debe atravesar el fluido

(aguja de barrido y orificio de las varillas) y a lo largo de la sarta de perforacin.


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TABLA 1: Velocidades de barrido, cuando se perfora con martillo en cabeza, en

funcin del caudal de aire que proporciona el compresor y el dimetro del varillaje.

Caudal(m3/min) 3,2 5,2 6,5 6,5 9,3 9,3 9,3 9,3

Dimetro varilla(mm) 32 38 38 45 45 51 87 100

Dimetro del manguito(mm) 45 55 55 61 61 72 - -

Dimetro orifi cio de barrido(mm) 12 14 14 17 17 21 61 76

Dimetro del barreno Velocidad del aire de barrido(m/s)

51mm(2") 43 - - - - - - -

64mm(2 1/2") 22 42 52 - - - - -76mm(3") 15 25 32 37 50 - - -

89mm(3 1/2") - 17 21 24 27 36 - -

102mm(4") - - 15 17 22 24 68 -

115mm(4 1/2") - - - 12 17 18 34 69

127mm(5") - - - - 13 15 19 34

140mm(5 1/2") - - - - - - 16 21

152mm(6") - - - - - - - 15

FUENTE: Manual de perforacin y voladura de rocas, pg.28 (Instituto

Tecnolgico Geominero de Espaa)


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4.2. Proceso de formacin de las indentacines

Con el proceso de formacin de indentacines, con l se consigue el avance eneste sistema de perforacin, se divide en cinco instantes, tal como se refleja en la

FIG.5.

i. Aplastamiento de las rugosidades de la roca por contacto con el til.

ii. Aparicin de grietas radiales a partir de los puntos de concentracin de

tensiones y formacin de una cua en forma de V.

iii. Pulverizacin de la roca de la cua por aplastamiento.

iv. Desgastamiento de fragmentos mayores en las zonas adyacentes a la

cua.

v. Evacuacin del detrito por el fluido de barrido.

vi. Esta secuencia se repite con la misma cadencia de impactos del pistn

sobre el sistema de transmisin de energa hasta la boca.

vii. El rendimiento de este proceso aumenta proporcionalmente con el tamao

de las esquirlas de roca que se liberan.

FIG.5: Fases de formacin de una indentacin.


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4.3. Perforacin con marti llo en cabeza

Este sistema de perforacin se puede calificar como el ms clsico oconvencional, y aunque su empleo por accionamiento neumtico se vio limitado

por los martillos en fondo y equipos rotativos. La aparicin de los martillos

hidrulicos en la dcada de los setenta ha hecho resurgir de nuevo este mtodo

complementndolo y amplindolo en su campo de aplicacin.

4.3.1. Perforacin neumtica

Un martillo accionado por aire comprimido consta bsicamente de:

i. Un cilindro cerrado con una tapa delantera que dispone de una abertura

axial donde va colocado el elemento portabarrenas, as como un dispositivo

retenedor de las varillas de perforacin.

ii. El pistn que con su movimiento alternativo golpea el vstago o culata a

travs de la cual se transmite la onda de choque a la varilla.

iii. La vlvula que regula el paso de aire comprimido en volumen fijado y de

forma alternativa a la parte anterior y posterior del pistn.

iv. Un mecanismo de rotacin, bien de barra estriada o de rotacin

independiente.

v. El sistema de barrido que consiste en un tubo que permite el paso del aire

hasta el interior del varillaje.

Estos elementos son comunes a todos los tipos de martillos existentes en el

mercado, variando nicamente algunas caractersticas de diseo: dimetro del

cilindro, longitud de la carrera del pistn, conjunto de vlvulas de distribucin, etc.


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4.3.2. Principio de trabajo de un marti llo neumtico

Paso 1(FIG.6): El pistn se encuentra al final de su carrera de retroceso y est

listo para comenzar su carrera de trabajo. El aire, a la presin de alimentacin,

llena la culata (1) y pasa a travs de la lumbrera trasera de alimentacin (2) al

cilindro (3).

El aire empuja el pistn hacia adelante, comenzando la carrera de trabajo.

Mientras, la parte frontal del cilindro (5) se encuentra a la presin atmosfrica, al

estar abierta la lumbrera de escape (6).

Paso 2(FIG.7): El pistn (4) contina acelerndose, empujado por la presin de

alimentacin, hasta que el borde frontal (7) de la cabeza de control del pistn

cierra la entrada del aire comprimido. El aire confinado en la parte trasera del

cilindro (3) comienza a expansionarse y contina empujando hacia adelante al

pistn. Obsrvese que la cabeza del pistn (4) cierra la lumbrera de escape (6) y

el extremo frontal se encuentra todava a la presin atmosfrica.

FIG.6: El pistn se encuentra de su carrera de retroceso.


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Paso 3(FIG.8): El aire confinado en la parte trasera del pistn (3) contina

expansionndose hasta que el borde trasero de la cabeza del pistn comienza a

descubrir la lumbrera de escape (6). Recurdese que la cabeza de control del

pistn (7) ha cerrado ya la entrada de aire comprimido, con lo cual no se malgasta

el aire comprimido cuando se abre la lumbrera de escape. En la parte frontal de la

cabeza del pistn ha quedado atrapado aire que estaba a la presin atmosfrica

(5) y que ahora es comprimido hasta una presin ligeramente superior a la

atmosfrica.

FIG.7: El pistn se acelera hacia adelante.

FIG.8: El borde trasero de la cabeza del pistn

descubre la lumbrera del escape.


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Pas 4(FIG.9): El pistn contina movindose hacia adelante a causa de su

inercia hasta que golpea al adaptador de culata. Entonces el borde trasero de la

cabeza del pistn (8) ha descubierto la lumbrera de escape (6) y el aire de la parte

trasera es expulsado a la atmsfera. Mientras esto sucede, el extremo trasero (10)

de la cabeza de control del pistn abre la lumbrera frontal de entrada del aire

comprimido (5) que empuja el pistn hacia atrs en la carrera de retroceso.

Durante esta etapa hay aire comprimido empujando al pistn por su parte frontal

(5) y tambin empujndole por su parte trasera (10). La superficie frontal es mucho

mayor que la trasera (10), por lo que el pistn se desplaza hacia atrs.

Pas 5(FIG.10): El pistn se acelera hacia atrs en su carrera de retroceso, hasta

que la cabeza de control cubre la lumbrera de entrada de aire (10), entonces, el

aire de la zona (5) se expansiona y contina empujando al pistn hacia atrs.

FIG.9: El pistn comprime el aire que se encuentra delante.

FIG.10: El pistn se acelera hacia atrs.


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Paso 6(FIG.11): El pistn contina acelerndose hacia atrs mientras el aire de la

parte frontal (5) se expansiona hasta que el borde frontal de la cabeza del pistn

(11) descubre la lumbrera de escape, el aire entonces es atrapado en la parte

posterior del cilindro (3) y se comprime hasta una presin ligeramente superior a la

atmosfrica. Obsrvese que el borde frontal de la cabeza de control (7) acaba de

abrir la lumbrera trasera de alimentacin de aire comprimido.

Paso 7(FIG.12): La carrera de retroceso finaliza cuando la lumbrera trasera de

suministro de aire se abre completamente, permitiendo la entrada del aire

comprimido tras el pistn. Esto produce un efecto de amortiguacin que produce laparada suave del pistn, y al mismo tiempo se prepara para una nueva carrera de

trabajo.

FIG.11: El borde frontal de la cabeza del pistn descubre

la lumbrera de escape.

FIG.12: El pistn finaliza la carrera de retroceso.


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4.3.3. Caractersticas medias de marti llos neumticos

TABLA 2: Caractersticas tpicas de martillos neumticos

Relacin dimetro pistn/dimetro

barreno15-17

Carrera del pistn(mm) 35-95

Frecuencia del golpeo (golpes/min) 1500-3400

Velocidad de rotacin (r/min 40-400

Consumo relativo de aire(m3/min) 2,1-2,8

4.3.4. Perforacin hidrulica

A finales de los aos sesenta y comienzo de los setenta, tuvo lugar un gran

avance tecnolgico en la perforacin de rocas con el desarrollo de los martillos

hidrulicos. Una perforadora hidrulica consta bsicamente de los mismos

elementos constructivos que una neumtica. FIG.13. La diferencia ms importante

entre ambos sistemas estriba en que en lugar de utilizar aire comprimido,

generado por un compresor accionado por un motor diesel o elctrico, para el

gobierno del motor de rotacin y para producir el movimiento alternativo del pistn,

un motor acta sobre un grupo de bombas que suministran un caudal de aceiteque acciona aquellos componentes.




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4.3.5. Principio de funcionamiento de un martillo hidrulico

Paso 1(FIG.14): El pistn se muestra estando en el extremo delantero de su

carrera. El aceite hidrulico penetra a la perforadora a travs del orificio de alta

presin (1) Y fluye hacia la parte delantera de cilindro (2). Empuja al pistn haciaatrs y al mismo tiempo entra en la cmara del distribuidor (3) empujando al

distribuidor (4) a la posicin trasera. Una parte del caudal del aceite entra al

acumulador de alta presin (HP) (5) comprimiendo el nitrgeno y de este modo

acumulando energa.

En esta posicin el aceite en la parte trasera del cilindro escapa a travs del

orificio (6) hacia el orificio de retorno (7). El acumulador de baja presin (LP) (8)

funciona de la misma manera evitando carga de choque en las mangueras de

retorno.

FIG.13: Seccin de un martillo hidrulico.


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Paso 2(FIG.15): Cuando el pistn se ha desplazado hasta el punto en que el

borde (9) ha cubierto los orificios (6), el orificio (10) se habr abierto y la presin

que acta sobre el lado de la alta presin detiene el mbolo. El choque depresin

causado por el mbolo es absorbido en el acumulador (5). Despus de esto, el

borde (11) deja al descubierto los orificios (12) y el aceite presurizado en la

cmara del distribuidor escapa hacia el conducto de retorno. Antes de esto, el

borde (13) impide el flujo de aceite hacia la cmara del distribuidor, y la presin en

la parte delantera del cilindro fuerza al mbolo hacia atrs.

Paso 3(FIG.16): A medida que la presin se reduce en la cmara del distribuidor,

la alta presin dominante en la cara posterior del distribuidor (4) lo fuerza hacia

adelante y de este modo se cubren los orificios de escape (6). En esta posicin el

aceite puede fluir hacia la parte trasera del cilindro a travs de un orificio de

FIG.14: El pistn se encuentra en el extremo

delantero de su carreara.

FIG.15: El pistn se desplaza hacia atrs


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presin (14) entre el distribuidor y el cuerpo. Al mismo tiempo el aceite puede fluir

a travs del orificio (10) hacia el cilindro.

Paso 4(FIG.17): El pistn se mueve hacia adelante debido al desequilibrio de

fuerzas predominante en las partes delanteras y traseras del cilindro. Al mismo

tiempo el acumulador de alta presin (HP) descarga aceite al conducto de alta

presin (HP) y de este modo aumenta el flujo de aceite al cilindro. Poco antes del

punto de percusin del pistn, el borde (12) permite el flujo de aceite hacia la

cmara del distribuidor y el desequilibrio de fuerzas entre las caras del distribuidor

lo mueven a la posicin trasera cerrando la alimentacin de aceite a la parte

posterior del cilindro. Despus del instante de percusin comienza el ciclo de

retorno del pistn de la manera indicada anteriormente.

Aunque en un principio la introduccin de estos equipos fue ms fuerte en trabajos

subterrneos, con el tiempo, se ha ido imponiendo en la perforacin de superficie

complementando a las perforadoras neumticas.

FIG.16: El pistn se encuentra en la posicin

trasera.

FIG.17: El pistn se mueve hacia delante.


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4.3.6. Caractersticas medias de marti llos hidrulicos

TABLA 3: Resumen de caractersticas de martillos hidrulicos.

Presin de trabajo(MPa) 7,5-25

Potencia de impacto(kw) 6-20

Frecuencia de golpeo (golpes/min) 2000-5000

Velocidad de ro tacin(r/min) 0-500

Par mximo(Nm) 100-1800

Consumo relativo de aire(m /min) 0,6-0,9

4.3.7. Diferencia y razones por la cual la perforacin

hidrulica supone una mejora tecnolgica sobre la

neumtica.

Menor consumo de energa: Las perforadoras hidrulicas trabajan con fluidos a

presiones muy superiores a las accionadas neumticamente y, adems, las cadas

de presin son mucho menores. Se utiliza, pues, de una forma ms eficiente la

energa, siendo slo necesario por metro perforado 1/3 de la que se consume con

los equipos neumticos.

Menor costo de accesorios de perforacin: La transmisin de energa en los

martillos hidrulicos se efecta por medio de pistones ms alargados y de menor

dimetro que los correspondientes a los martillos neumticos. La fatiga generada

en el varillaje depende de las secciones de ste y del tamao del pistn de golpeo,

pues, como se observa en la FIG.18, la forma de la onda de choque es mucho




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ms limpia y uniforme en los martillos hidrulicos que en los neumticos, donde se

producen niveles de tensin muy elevados que son el origen de la fatiga sobre el

acero y de una serie de ondas secundarias de bajo contenido energtico. En la

prctica, se ha comprobado que la vida til del varillaje se incrementa para las

perforadoras hidrulicas aproximadamente un 20%.

Debido a la mejor transmisin de energa y forma de la onda, las velocidades de

penetracin de las perforadoras hidrulicas son de un 50 a un 100% mayores que

las que los equipos neumticos.

Mejores condiciones ambientales: Los niveles de ruido en una perforadora

hidrulica son sensiblemente menores a los generados por una neumtica, debido

a la ausencia del escape de aire. Principalmente, esto es as en el campo de las

bajas frecuencias, donde los auriculares protectores son menos eficientes

(FIG.19). Adems, en las labores subterrneas no se produce la niebla de agua y

aceite en el aire del frente, mejorando el ambiente y la visibilidad del operario. Por

otro lado, la hidrulica ha permitido un diseo ms econmico de los equipos,

FIG.18: Ondas de choque en martillos

hidrulicos y neumtico


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haciendo que las condiciones generales de trabajo y de seguridad sean mucho

ms favorables.

Mayor elasticidad de la operacin: Es posible variar dentro de la perforadora la

presin de accionamiento del sistema y la energa por golpe y frecuencia de

percusin.

Mayor facilidad para la automatizacin: Estos equipos son mucho ms aptos

para la automatizacin de operaciones, tales como el cambio de varillaje,

mecanismos anti atranque, etc. Por el contrario, los inconvenientes que presentan

son:

FIG.19: Se observa un menor nivel de ruido en las

perforadoras hidrulicas


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i. Mayor inversin inicial.

ii. Reparaciones ms complejas y costosas que en las perforadoras

neumticas, requirindose una mejor organizacin y formacin del personal

de mantenimiento.

4.4. Perforacin con martillo en el fondo

Estos martillos se desarrollaron en 1951 por Stenuick y desde entonces se han

venido utilizando con una amplia profusin en explotaciones a cielo abierto de

rocas de resistencia media, en la gama de dimetros de 105 a 200 mm, aunqueexisten modelos que llegan hasta los 915 mm.

La extensin de este sistema a trabajos subterrneos es relativamente reciente, ya

que fue a partir de 1975 con los nuevos mtodos de Barrenos Largos y de

Crteres Invertidos cuando se hizo popular en ese sector.

En la actualidad, en obras de superficie este mtodo de perforacin est indicado

para rocas duras y dimetros superiores a los 150 mm, en competencia con larotacin, debido al fuerte desarrollo de los equipos hidrulicos con martillo en

cabeza.

FIG.20: Esquema de los componentes de

un carro perforador con martillo en el fondo.


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28

El funcionamiento de un martillo en fondo se basa en que el pistn golpea

directamente a la boca de perforacin. El fluido de accionamiento es aire

comprimido que se suministra a travs de un tubo que constituye el soporte y hace

girar al martillo. La rotacin es efectuada por un simple motor neumtico o

hidrulico montado en el carro situado en superficie, lo mismo que el sistema de

avance. (FIG.20). La limpieza del detrito se efecta por el escape del aire del

martillo a travs de los orificios de la boca.

En los martillos en fondo, generalmente, la frecuencia de golpeo oscila entre 600 y

1.600 golpes por minuto.

El diseo actual de los martillos en fondo es mucho ms simple que el de los

primitivos que incorporaban una vlvula de mariposa para dirigir el airealternativamente a la parte superior del pistn, (FIG.21). Los martillos sin vlvulas

son accionados por las nervaduras o resaltes del propio pistn, permitiendo

aumentar la frecuencia de golpeo, disminuir sensiblemente el consumo de aire y el

riesgo de dieselizacin.

Para evitar la entrada del agua, por efecto de la presin hidrulica, los martillos

pueden disponer de una vlvula antirretorno en la admisin del aire.

La relacin carrera/dimetro del pistn en los martillos en cabeza es menor o igual

a 1, pero en los martillos en fondo como las dimensiones del pistn estn limitadas

por el dimetro del barreno, para obtener la suficiente energa por golpe la relacin

anterior es del orden de 1,6 a 2,5 en los calibres pequeos y tendiendo a 1 en los

grandes.


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29

10

20

30

40

0,5 1,5 2 2,5

PRESI N DEL AIRE (MPA)

1

M.F.SIN VALVULA

M.F.COM V LVULA (1968)



152 mm DI METROBOCA DE BOTONESGRANITO 180MPa RESISTENC. COMP.

VELOCIDADDEPE

NETRACIN(m/h)

FIG.22: Velocidad de penetracin para

diferentes martillos en fondo y presiones de

aire, (Ingersoll-Rand).

FIG.21: Martillo en fondo

(Atlas Copco)


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30

Si se analiza la frmula de la potencia proporcionada por una perforadora

rotopercutiva:

=

,

,

,

,

= Presin del aire que actua sobre el pistn = Area efectiva del pistn = Carrera del pistn

= Masa del pistn

Se ve que la presin del aire es la variable que tiene una mayor influencia sobre la

velocidad de penetracin obtenida con un martillo en fondo. Actualmente, existen

equipos sin vlvulas que operan a altas presiones, 2 a 2,5 MPa, consiguiendo

altos rendimientos, (FIG.22).

Con el fin de evitar la percusin en vaco los martillos suelen ir provistos de un

sistema de proteccin que cierran el paso del aire al cilindro cuando la boca no seapoya en la roca del fondo del taladro.

La sujecin de las bocas al martillo se realiza por dos sistemas: el primero, a modo

de bayoneta, consiste en introducir la boca en el martillo y girarla en un sentido,

normalmente a izquierda, quedando as retenida; el segundo, mediante el empleo

de elementos retenedores, semianillas o pasadores.

Cuando se perfora una formacin rocosa en presencia de agua, debe disponerse

de un compresor con suficiente presin de aire para proceder en determinados

momentos a su evacuacin. De lo contrario, el peso de la columna de agua har

caer el rendimiento de perforacin.


32/109

3

En cuanto al empuje que debe ejercerse para mantener la boca lo ms en

contacto posible con la roca, una buena regla prctica es la de aproximarse a los

85 kg por cada centmetro de dimetro. Un empuje excesivo no aumentar la

penetracin, sino que acelerar los desgastes de la boca y aumentar losesfuerzos sobre el sistema de rotacin. Cuando se perfore a alta presin se

precisar al principio una fuerza de avance adicional para superar el efecto de

contra empuje del aire en el fondo del barreno, sucediendo lo contrario cuando la

profundidad sea grande y el nmero de tubos tal que supere al peso

recomendado, siendo necesario entonces que el perforista accione la retencin y

rotacin para mantener un empuje ptimo sobre la boca.

TIPO DE ROCA VELOCIDADES DE ROTACIN (r/min)

Muy blanda 40-60

Blanda 30-50

Media 20-40

Dura 10-30

Como regla prctica puede ajustarse la velocidad de rotacin a la de avance con

la siguiente expresin:

= 1,66

(

)

Adems del aire, como fluido de barrido puede emplearse el agua y la inyeccin

de un espumante. Este ltimo, presenta diversas ventajas ya que se consigue una

buena limpieza en grandes dimetros con aire insuficiente, con velocidades

ascensionales ms bajas (hasta 0,77 m/s), y permite mantener estables las

TABLA 4: Velocidades de rotacin aconsejables al tipo de roca.

FUENTE: Tabla 4 fue extrada del libro manual de perforacin y voladura derocas, pg. 35 (Instituto Tecnolgico Geominero de Espaa)


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3

paredes de los taladros en formaciones blandas. Este mtodo es especialmente

indicado en la perforacin de pozos de agua en terrenos poco consolidados.

La lubricacin de los martillos en fondo es de vital importancia. Los consumos de

aceite varan con los diferentes modelos, pero como regla general se recomienda1 litro de aceite por hora por cada 17 m3/min de caudal de aire suministrado.

Cuando se perfora a alta presin se aconseja un consumo mnimo continuo de 1

I/h. Si se emplea agua o espumantes debe aumentarse la cantidad de aceite.

En cuanto al tamao de los tubos, stos deben tener unas dimensiones tales que

permitan la correcta evacuacin del detritus por el espacio anular que queda entre

ellos y la pared del barreno.

Dimetro de perforacin (mm) Dimetro de la tubera (mm)

102-115 76

127-140 102

152-165 114

200 152

TABLA 5: Dimetros recomendados al calibre de perforacin.

FUENTE: Tabla 5 fue extrada del libro manual de perforacin y voladura de

rocas, pg.35 (Instituto Tecnolgico Geominero de Espaa)


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4.4.1. Ventajas de la perforacin con marti llo en fondo, frente

a otros sistemas

La velocidad de penetracin se mantiene prcticamente constante a medida

que aumenta la profundidad de los barrenos.

Los desgastes de las bocas son menores que con martillo en cabeza,

debido a que el aire de accionamiento que pasa a travs de la boca

limpiando la superficie del fondo asciende eficazmente por el pequeo

espacio anular que queda entre la tubera y la pared del barreno.

Vida ms larga de los tubos que de las varillas y manguitos.

Desviaciones de los barrenos muy pequeas, por lo que son apropiados

para taladros de gran longitud.

La menor energa por impacto y la alta frecuencia de golpeo favorecen su

empleo en formaciones descompuestas o con estratificacin desfavorable.

Se precisa un par y una velocidad de rotacin menores que en otros

mtodos de perforacin.

No se necesitan barras de carga y con carros de pequea envergadura es

posible perforar barrenos de gran dimetro a profundidades elevadas. El coste por metro lineal es en dimetros grandes y rocas muy duras

menores que con perforacin rotativa.

El consumo de aire es ms bajo que con martillo en cabeza neumtico.

El nivel de ruido en la zona de trabajo es inferior al estar el martillo dentro

de los barrenos.


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34

4.4.2. Desventajas de la perforacin con marti llo en fondo,

frente a otros sistemas

Velocidades de penetracin bajas.

Cada martillo est diseado para una gama de dimetros muy estrecha que

oscila en unos 12 mm.

El dimetro ms pequeo est limitado por las dimensiones del martillo con

un rendimiento aceptable, que en la actualidad es de unos 76 mm.

Existe un riesgo de prdida del martillo dentro de los barrenos por

atranques y desprendimientos del mismo.

Se precisan compresores de alta presin con elevados consumos

energticos.

En la actualidad, el sistema de martillo en fondo en el rango de 76 a 125 mm est

siendo desplazado por la perforacin hidrulica con martillo en cabeza.

Dimetro de perforacin(mm) 100 125 150 200 300

Dimetro del p istn(mm) 75 91 108 148 216

Carrera del pistn(mm) 100 102 102 100 100

Peso del martillo(Kg) 38,5 68,5 106 177 624

Consumo del aire(m3/min a 1MPa) 4,7 6,7 10,1 17,1 28,2

Relacin

Diam.Barreno/Diam.Pistn

1,33 1,37 1,39 1,35 1,39

Consumo relativo de aire(m3/min) 0,47 0,54 0.67 0,86 0,94

TABLA 6: Caractersticas tcnicas de algunos martillos en fondo.

FUENTE: Tabla 6 fue extrada del libro manual de perforacin y

voladura de rocas, pg. 36 (Instituto Tecnolgico Geominero de

Espaa)


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4.5. Tipos de bocas o barrenas para la perforacin

Rotopercutiva

Las bocas que se emplean en la perforacin rotopercutiva son de dos tipos:

i. Bocas de pastillas o plaquitas

ii. Bocas de botones

Algunas caractersticas de diseo comunes a ambos tipo de boca son las

siguientes:

Las varillas se atornillan hasta el fondo de la rosca de la boca con el fin de

que la transmisin de la energa de impacto sea lo ms directa posiblesobre la roca.

Las bocas disponen de una serie de orificios centrales y laterales por los

que se inyecta el fluido de barrido para remover el detrito y poseen unas

FIG.23: Bocas de perforacin (Sandvik-Coromant)


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3

hendiduras por las que pasan y ascienden las partculas de roca

producidas.

Las bocas se disean con una pequea conicidad, siendo la parte ms

ancha la que est en contacto con la roca, con el fin de contrarrestar el

desgaste que sufre este accesorio y evitar un ajuste excesivo con las

paredes del barreno.

4.5.1. Bocas de botones

Estas bocas disponen de unos botones o insertos cilndricos de carburo detungsteno distribuidos sobre la superficie de la misma. Se fabrican en dimetros

que van desde los 50 mm hasta los 251 mm. Las bocas de botones se adaptan

mejor a la perforacin con rotacin, obtenindose velocidades de avance

superiores que con bocas de pastillas. Tambin presentan una mayor resistencia

al desgaste, debido no slo a la forma de los botones sino incluso a la sujecin

ms efectiva del acero, por contraccin o presin en fro, sobre todo el contorno de

los insertos (FIG.23).

4.5.2. Bocas de Pastil las

Se dispone de dos configuraciones de diseo: (1) Bocas en Cruz y (2) Bocas en X.

Las primeras estn construidas con cuatro plaquitas de carburo de tungsteno

dispuestas en ngulo recto, mientras que en las bocas en X estas plaquitas

forman ngulos de 75 y 105 unas con otras. Estas bocas se fabrican a partir de

dimetros de 35 mm, siendo habitual llegar hasta los 57 mm en las bocas en cruz,

y usar a partir de los 64 mm y hasta 127 mm las bocas en X, pues son ms


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37

rpidas y adems se evita la tendencia de las otras a abrir barrenos con secciones

pentagonales en los grandes dimetros (FIG.23).

4.5.3. Bocas especiales

Las bocas con diseo especial son las conocidas por:

i. Bocas retrctiles.

ii. Bocas de escariar.

iii. Bocas de centro hundido.

iv. Bocas balsticas.

Las bocas retrctiles se usan en aquellas formaciones rocosas donde las paredes

de los barrenos tienden a desmoronarse y, por lo tanto, es preciso evitar

atranques y prdidas de varillaje. Disponen de estras y dientes por detrs del

frente que permiten realizar la perforacin en retroceso. Una variante de la boca

anterior es la boca retrctil de faldn largo. Con este til el corte en retroceso es

ms intenso y al tener un dimetro constante en todo su cuerpo se consiguen

barrenos ms rectos. Las bocas de escariar de botones o plaquitas se utilizan en

labores subterrneas para abrir los barrenos centrales de mayor dimetro en los

cueles paralelos. Estas bocas se utilizan con varillas pilotos o con varillas de

extensin y adaptadores pilotos. Poseen un orificio central troncocnico que

permite que stas se siten por detrs de la piloto de menor dimetro.

FIG.24: Bocas retractiles


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38

Las bocas de centro hundido poseen unas excelentes caractersticas de barrido,

ya que ste se realiza principalmente por la parte frontal. Se usan en rocas

blandas fciles de perforar. Asimismo, estos accesorios mejoran la rectitud de los

barrenos. Las bocas balsticas disponen de insertos en forma de proyectiles que

son ms largos que los estn dar y proporcionan mayores velocidades de

penetracin y un barrido ms eficiente. En rocas blandas el frente de la boca no

impacta contra la roca del fondo del barreno debido a la altura de los botones, por

lo que la limpieza del detritus es ms completa, (FIG.26). Comparadas con las

bocas estndar de botones, las bocas balsticas dan velocidades de penetracin

de un 25 a un 50% superior, segn el tipo de roca que se perfore. El principal

inconveniente que presentan es el riesgo de rotura de los botones, sobre todo

cuando el cuerpo de la boca sufre un desgaste ms fuerte que los botones.

FIG.25: Bocas de escariar, varilla piloto y

adaptador piloto.


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Tabla 7: Se indican los tipos de bocas que se recomiendan para perforar

diferentes formaciones rocosas.

FIG.26: En la presente figura se

muestran la Boca convencional y boca

balstica.




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4.5.4. Bocas de marti llo en fondo

Las bocas de martillos en fondo llevan incorporadas en su diseo las culatas sobre

las que golpean directamente los pistones. Los dimetros usuales de estos tiles

van desde los 85 mm hasta los 250 mm, aunque existen bocas de mayor calibre,

(FIG.27).

Los principales tipos de bocas son los siguientes:

i. De Botones.

Son las ms utilizadas y son de aplicacin en cualquier tipo de roca. Se subdividen

en:

Bocas con ncleo rompedor.

Bocas cncavas.

Bocas convexas.

Bocas balsticas.

FIG.27: Bocas de martillo en fondo.


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4

ii. De Insertos

De cara completa. Con insertos en cruz o en X semejantes a las de martillo en

cabeza y de aplicacin en rocas blandas y sueltas.

De ncleo rompedor. Bocas con cuatro insertos cortos y uno o dos botones en el

centro que sirven para romper el ncleo de roca que se forma en cada golpe.

4.6. Cuidado y mantenimiento de bocas

El acondicionamiento de las bocas tiene como objetivo obtener una velocidadptima de penetracin y aumentar la vida de dichos tiles. En efecto, si las

pastillas o botones de metal duro y el resto del cuerpo de la boca no tienen una

forma adecuada no se conseguir alcanzar la mayor velocidad de penetracin

posible y adems, se generarn esfuerzos y tensiones tanto en el propio til como

en el resto del varillaje pudiendo dar lugar a graves daos o roturas. A

continuacin, se indica para las bocas de botones, de pastillas y barrenas

integrales cundo debe efectuarse el afilado y el modo de llevarlo a cabo.

4.6.1. Bocas de botones

Las bocas de botones deben ser reacondicionadas cuando: El cuerpo de la boca

se desgasta ms que los botones, haciendo .que estos sobres salgan

excesivamente. As se evitar que los botones se claven en la roca o quiebren.

Esto sucede frecuentemente en terrenos blandos y abrasivos, (FIG.28).


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4

Cuando los botones se desgastan ms rpidamente que el cuerpo,

especialmente en rocas duras y abrasivas, los botones deben ser afilados

con frecuencia. (FIG.29).

Si en rocas no abrasivas los botones se pulen mostrando seales de

fracturacin en su superficie con aspecto de piel de reptil. Esto evita que las

fracturas superficiales se propaguen, lo cual podra provocar la destruccin

de los botones. (FIG.30).

FIG.28: Desgaste del cuerpo.


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43

El afilado de botones tiene por objeto devolverles su forma esfrica original, pero

sin reducir demasiado su altura. Por lo general, no necesitan afilado del dimetro.

El intervalo de afilado puede elegirse en funcin de los diferentes tipos de roca y

condiciones de perforacin, por ejemplo, al cabo de un determinado nmero de

barrenos, que coincida aproximadamente cuando se haya consumido la mitad del

dimetro del botn.

Si las bocas estn muy gastadas, puede ser necesario afilar el acero alrededor de

los botones para que sobre salgan lo suficiente. La altura visible debe estar

prxima a la mitad del dimetro del botn, (FIG.31). Todos los botones deben

afilarse cada vez, aunque no se haya alcanzado el desgaste lmite. Las bocas

estn en condiciones de perforar siempre que los botones perifricos estn bien,

ya que son ms importantes que los del resto. Especial atencin se pondr en la

limpieza de los orificios y estras o canales de barrido. El afilado de botones se

realizar con esmeriladoras y deber controlarse con plantillas de medicin

adecuadas.

FIG.31: Medida de desgaste de

botones.


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4.6.2. Bocas de pasti llas

Las bocas de pastillas deben afilarse cuando:

El filo se haya desgastado y la superficie cortante mida de 2,4 mm a 5 mm

de dimetro del exterior de la boca, (FIG.32).

Cuando la esquina exterior de la pastilla se haya desgastado hasta un radio

mayor de 5 mm, (FIG.33).

FIG.32: Desgaste del filo de las pastillas.

FIG.33: Desgaste de esquina.


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Cuando la cara de la boca comience a tener un dimetro inferior al del

cuerpo; entonces se esmerilar el dimetro exterior para eliminar los contra-

conos

En terrenos no abrasivos donde las pastillas presentan reas muy pulidas o

pequeas fracturaciones en superficie, que es preciso eliminar

peridicamente, (FIG.34).

El afilado de este tipo de bocas debe hacerse de tal manera que el ngulo de filo

sea de 110 y el ngulo del cuerpo de unos 3, (FIG.35).

FIG.34: Pulido de pastillas.

FIG.35: Afilado de pastillas FIG.36: Biselado de aristas.


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4

No deben afilarse las esquinas de las pastillas, sino dejar un ligero biselado. Debe

evitarse que los insertos queden formando cua, se recomienda una forma

ligeramente convexa con un ngulo mximo de 10 a 15.

Si el afilado se hace en seco, las bocas deben enfriarse lentamente con el aireantes de continuar reafilndolas.

Los filos de los insertos, una vez esmeriladas las bocas deben biselarse hasta

alcanzar una anchura de 0,4 a 0,8 mm, (FIG.36).

Si el cuerpo de la boca se ha desgastado, debe esmerilarse lo que sobresalga de

los insertos, hasta quedar a ras con el cuerpo. Deben tambin acondicionarse las

estras de barrido y engrasar las bocas despus del afilado y antes de usarse otra

vez.

4.6.3. Barrenas integrales

Estos accesorios deben afilarse cuando el ancho de la superficie plana del inserto

sea de 3 mm, medidos a 5 mm del borde. En rocas abrasivas o perforacin conaire, tambin deben afilarse los bordes que se hayan redondeado tomando forma

cnica hasta una altura de 8 mm, (FIG37).

FIG.37: Control de desgaste.


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La geometra que debe conseguirse en el afilado es de un ngulo de filo de 110 y

una curvatura de 80 a 100 mm. (FIG.38).

FIG.38: Afilado de barrenas integrales.


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5. Perforacin rotativa

Se subdividen a su vez en dos grupos, segn que la perforacin se realice por

trituracin empleando triconos, o por corte utilizando bocas especiales. El primer

sistema se aplica en rocas de dureza media a alta y el segundo en rocas blandas.

Las perforadoras rotativas estn constituidas esencialmente por una fuente de

energa, una batera de barras de tubos, individualmente o conectadas en serie,

que transmiten el peso, la rotacin y el are de barrido a una boca con dientes de

acero o insertos de carburo de tungsteno que acta sobre la roca.

5.1. Sistemas de rotacin

Con el fin de hacer girar las barras y transmitir el par, las perforadoras llevan un

sistema de rotacin montado generalmente sobre un bastidor que se desliza a lo

largo del mstil de la perforadora.

El sistema de rotacin Directo puede estar constituido por un motor elctrico o

hidrulico. El primero, es el ms utilizado en las mquinas grandes, pues

aprovecha la gran facilidad de regulacin de los motores de corriente continua, en

un intervalo de 0 a 100 r/min. En los diseos ms antiguos se empleaba el sistema

Ward Leonard y en los ms modernos se usan thyristores o rectificado en estado

slido.

El sistema hidrulico consiste en un circuito cerrado con una bomba de presin

constante y un convertidor de par con el que se logra variar la velocidad de


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rotacin del motor hidrulico, situado en la cabeza de la sarta de perforacin. Este

tipo est muy extendido en los equipos pequeos y medianos.

Los sistemas mecnicos o indirectos son el de la Mesa de Rotacin, muy popular

en el campo del petrleo pero poco utilizado en las mquinas mineras, y eldenominado de Falsa Barra Kelly, cuyos esquemas de funcionamiento se

representan en la FIG.39.

5.2. Perforacin rotativa con triconos

Los triconos estn conformados por tres rodillos endentados, de forma cnica,

que ruedan sobre el fondo del pozo, fracturando la roca por un proceso de

indentacin y corte. En las aplicaciones mineras con fines de fragmentacin derocas, en la actualidad se utilizan exclusivamente los trpanos triturantes,

conocidos con el nombre de triconos. Aunque la introduccin de esta herramienta

se remonta a los primeros aos del siglo XX (1910) en la perforacin de pozos

petrolferos, slo a partir de los aos 60 es cuando aparecen los primeros equipos

FIG.39: Sistema de rotacin :(a) Directo, (b) Mesa de rotacin, (c) Falsa barra

Kelly.


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rotativos en las grandes minas a cielo abierto con esto se inicia una investigacin y

desarrollo muy intensivo en cuanto a su perfeccionamiento tanto en calidad como

en su diseo.

En un principio los triconos slo eran aplicables en formaciones rocosas ms bienblandas a medianas; vale decir, rocas de baja resistencia a la compresin. Hoy en

da, gracias a las innovaciones introducidas, este sistema de perforacin rotativa

predomina sin contrapeso en la minera a tajo abierto de gran tamao, tanto en

rocas blandas como incluso muy duras, en el rango de dimetros de perforacin

superiores a 175mm. As, por ejemplo, aqu en Chile actualmente del orden de un

80 % de la produccin de cobre proviene de faenas que aplican esta prctica de

perforacin.

Se fabrican dos tipos de triconos: con dientes estampados y con insertos de

carburo de tungsteno, (FIG.40). Los primeros son los ms antiguos, con un campo

de aplicacin restringido a rocas blandas y medianas. Los de insertos son capaces

de perforar hasta rocas muy duras, pero tienen un precio del orden de cinco a uno

en relacin con los anteriores, relacin que es compensada por su mayor vida til.

El efecto de penetracin de un triconos se obtiene por la aplicacin combinada de

dos acciones:

i. Indentacin

ii. Corte

Los dientes o insertos del tricono, al rodar sobre el fondo, penetran o se entierran

en la roca por la aplicacin de una gran fuerza de empuje. Esta accin es la que

produce la trituracin de la roca. Tambin, por efecto de un desplazamiento lateral

de los rodillos se consigue una accin de corte o desgarre de la roca. Esta

segunda accin de corte o desgarre se incorpora cuando se trata de triconos

diseados para perforar rocas blandas a medianas, de menor resistencia a la

compresin.


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5

5.2.1. Mecanismo de corte de las barrenas tricnicas

Los elementos de corte de las herramientas tricnicas corresponden a hileras de

dientes alrededor de cada cono que se entrelazan sin tocarse con los conos

adyacentes a manera de engranajes.

Este tipo de barrenas, remueve la roca raspndola o triturndola. Los conos giran

y realizan una accin de trituracin. A medida que los conos se apartan del

movimiento giratorio real, las estructuras cortantes penetran y raspan ms.

El desplazamiento o excentricidad del cono y la forma del mismo provocan que los

conos dejen de girar peridicamente a medida que gira la barrena, (FIG.41) .Comoresultado, las estructuras cortantes se deslicen en el fondo del pozo y raspan la

formacin .Los ngulos de desplazamiento varan de 5 para formaciones blandas

y a 0 para formaciones duras. Las barrenas para formaciones blandas utilizan

estructuras de corte ms largas con ngulo de desplazamiento en los conos que

FIG.40: Triconos con dientes de acero y con insertos de carburo de

tungsteno.


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5

reducen el movimiento de rotacin, los cortadores cortos en los conos que giran

ms, provocan una accin de trituracin en las formaciones duras.

Uno de los aspectos ms importantes que se tiene en cuenta en el diseo de untricono, es el ngulo que forman los ejes de los conos con la horizontal. Este

ngulo determina el dimetro del cono dentado de acuerdo con el dimetro del

barreno. Si aumenta el ngulo el dimetro del cono debe disminuir y

recprocamente, (FIG.42).

FIG.41: Desplazamiento o excentricidad de los


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53

La Longitud de los dientes: En un tricono de dientes la longitud de stos est

definida por la profundidad de la fresa en el cono. Si el tricono es de insertos, la

longitud vendr dada por la parte visible de los botones de metal duro. (FIG.44)

El Espesor del cono: se debe disponer de un espesor mnimo para asegurar la

resistencia estructural del cono. El espesor est determinado por el tamao de los

FIG.42: Angulo del eje del cono


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cojinetes, por la profundidad de la fresa en los triconos de dientes y por la

profundidad de encastramiento en los de botones. (FIG.44)

Los tipos de rodamientos empleados en los triconos:

i. Bolas y rodillos.

ii. Rodamientos planos con lubricacin.

La pista de rodillos aguanta la mayor parte de la carga radial en el cono, mientras

que los cojinetes lo hacen en una pequea parte. La superficie de empuje

perpendicular al pasador gua y al botn de empuje est diseada para soportar

cargas hacia el exterior. La pista de bolas mantiene el cono en funcionamiento y

soporta el empuje hacia el interior. Cuando otras partes del cojinete estn

desgastadas, la pista de bolas tambin soportar algunas cargas radiales y

excntricas. En los triconos de perforacin de barrenos un porcentaje elevado de

aire se desva a travs de los cojinetes con objeto de refrigerar y limpiar los

elementos del mismo. La adicin de aceite a la tubera de aire comprimido

contribuye a mejorar la vida de los cojinetes y, por tanto, disminuye el coste de

perforacin.

El cuerpo del tricono (FIG.43): Se compone de tres partes idnticas que se

denominan global mente cabeza. Cada cabeza contiene un cojinete integral sobre

el que se inserta el cono y tambin los conductos a travs de los cuales circula el

fluido de barrido para limpiar el detritus de perforacin del fondo de los barrenos.

Una de las tareas del cuerpo del tricono es la de dirigir el fluido de barrido hacia

donde la limpieza sea ms efectiva. Los triconos actuales son de chorro (jet) que

impulsan el aire entre los conos directamente al fondo del barreno, debiendo

suministrar los compresores el suficiente caudal y presin para limpiar tanto el

fondo del barreno como los conos. Mediante soldadura controlada por ordenador

se unen las tres cabezas en una unidad y despus se mecaniza la rosca donde se

inserta la tubera. La rosca transmite al tricono los esfuerzos de torsin y los

axiales producidos por la perforadora a travs de las tuberas.


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55

La metalurgia de los materiales del tricono: Uno de los xitos conseguidos en la

fabricacin de los triconos ha sido el empleo de aleaciones especiales diferentes

para cada uno de los elementos que lo constituyen. TABLA 8.

ELEMENTOS

DEL TRICONOPROPIEDADES REQUERIDAS TIPO DE ACERO

ConoResistencia al impacto y a la

abrasin

Carbono, manganeso,

nquel y molibdeno

Cabezas Resistencia a la fatiga, altaresistencia al impacto. Soldable

Carbono, manganeso,cromo y molibdeno

Cojinetes de

rodillos y bolasAlta resistencia al impacto

Carbono, manganeso,

nquel, cromo y molibdeno

Pasadores y

buje guaResistencia al desgaste

Cromo, carbono, nquel,

manganeso y silicio

Botn de empuje Resistencia al desgasteCarbono, wolframio, cromo,

molibdeno y vanadio

Superficie de

cojinetesResistencia al desgaste

Cobalto, cromo, carbono,

wolframio y nquel

Dientes Resistencia a la abrasin elevada Wolframio, carbono

InsertosResistencia a la abrasin elevada

y resistencia al impactoWolframio, carbono

TABLA 8: Materiales en la fabricacin de los triconos.




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5

5.2.2. Esquema del tricono

FIG.43: Esquema de tricono (Smith-Gruner).


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5.2.3. Esquema del ngulo del cono, longitud de diente y

espesor del cono

FIG.44: Angula del cono, longitud de diente y espesor del cono (Smith-Gruner).


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5.2.4. Seleccin del tipo de tricono

En la seleccin del tipo de tricono influyen fundamentalmente la resistencia a

compresin de la roca y su dureza. Normalmente, los usuarios envan muestras a

las compaas fabricantes de triconos para que los asesoren sobre el tipo de boca

a utilizar, velocidades de penetracin probables y duracin en metros.

5.2.5. Triconos de dientes

Los triconos de dientes se clasifican en tres categoras, segn el tipo de formacin

rocosa: blanda, media y dura. (Tabla 9 y Fig. 45)

Formaciones blandas: Los triconos para formaciones blandas tienen rodamientos

pequeos compatibles con los dientes largos y los pequeos empujes sobre la

boca que son necesarios. Los dientes estn separados y los conos tienen un

descentramiento grande para producir un efecto de desgarre elevado.

Formaciones medias: Los triconos para estas formaciones tienen cojinetes de

tamao medio, de acuerdo a los empujes necesario y el tamao de los dientes.

La longitud de los dientes, espacia miento y descentramiento son menores que en

los triconos de formaciones blandas.

Formaciones duras: Los triconos de formaciones duras tienen cojinetes grandes,

dientes cortos, resistentes y muy prximos unos de otros. Los conos tienen muy

poco descentramiento para aumentar el avance por trituracin, requirindose

empujes muy importantes.


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TABLA 9: Clasificacin general de triconos.


rocas, pag.96 (Instituto Tecnolgico Geominero de Espaa)


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Tipos de triconos de dientes:

FIG.45: Tipos de triconos de dientes.


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5.2.6. Triconos de insertos

Existen cuatro tipos de triconos, que se diferencian en el diseo y tamao de los

insertos, en el espaciamiento de los mismos y en la accin de corte, (TABLA 10 y

FIG.46)

TABLA 10: Clasificacin general de triconos de insertos.


rocas, pag.96 (Instituto Tecnolgico Geominero de Espaa)


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Tipos de triconos con diente insertos:

FIG.46: Tipos de triconos de insertos.


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5.2.7. Evaluacin de los triconos gastados

Un trabajo importante en la utilizacin efectiva de los triconos lo constituye el

anlisis de las bocas gastadas, ya que la identificacin de las posibles causas

ayuda a corregir los errores de operacin y mejorar la seleccin del tipo de tricono.

Los fallos de las bocas se producen generalmente debido a tres causas:

i. Fallos de los cojinetes.

ii. Fallos de la estructura de corte

iii. Fallos del faldn.

CAUSAS POSIBLES SOLUCIONES

Velocidad de rotacin excesiva Reducir la velocidad rotacin

Tipo de tricono inadecuado Cambiar a otro tipo

Aire insuficiente para refrigerar los

cojinetesChequear el compresor y el varillaje

Bloqueo del paso del aire Chequear el conducto del aire

Empuje excesivo sobre tricono Reducir el empuje

TABLA 11. Identificacin de Fallos de los cojinetes


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Aire insuficiente para limpiar el centrodel barreno

Aumentar el volumen de aire odisminuir avance

Eleccin inadecuada del tricono Cambiar al tipo siguiente

Excesiva velocidad de rotacin Reducir la rotacin


Aire insuficiente para la velocidad de

penetracin

Aumentar volumen de aire o reducir

avance

Formaciones diaclasadas y abrasivas Programa para recrecer faldones

Pandeo de la barra Cambio de la barra

TABLA 12.Identificacion de Fallos de la estructura de corte

TABLA 13. Identificacin de Fallos del faldn


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5.2.8. Desgastes ms comunes de triconos

FIG.47: Desgaste del faldn y rotura de insertos

FIG.48: Cono roto y cono fisurado

FIG.49: Fisura por calentamiento y crestas achatadas


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5.3. Perforacin rotativa por corte

La perforacin rotativa por corte tuvo su mximo desarrollo en la dcada de losaos 40 en las minas americanas de carbn para el barrenado del recubrimiento y

del propio mineral. Con la aplicacin creciente en cielo abierto de los equipos

rotativos con triconos, este mtodo ha quedado limitado al campo de las rocas

blandas con dimetros generalmente pequeos o medios, en clara competencia

con los sistemas de arranque directo. En trabajos subterrneos ha sido la

perforacin rotopercutiva la que ha relegado a los equipos rotativos a las rocas de

dureza baja a media y poco abrasivas, potasas, carbn, etc.

La perforacin por corte en los barrenos de produccin se realiza con bocas cuya

estructura dispone de elementos de carburo de tungsteno u otros materiales como

los diamantes sintticos policristalinos, que varan en su forma y ngulo,

pudindose distinguir los siguientes tipos,(FIG.50):

i. Bocas bilabiales o de tenedor, en dimetros de 36 a 50 mm.

ii. Bocas trialetas o multialetas, en dimetros de 50 a 115 mm.

iii. Bocas de labios reemplazables, con elementos escariadores y perfil decorte escalonado en dimetros desde 150 mm hasta 400 mm.


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5.3.1. Tipos de bocas para perforacion por corte

FIG.50.Tipos de bocas para la perforacin por corte


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5.3.2. Fundamentos de la perforacin por corte

Las acciones de una boca de corte sobre la roca son, segn Fish, las siguientes:

i. Deformaciones elsticas por las tensiones debidas a la deflexin angular de

la boca y torsin a la que se somete a la misma.

ii. Liberacin de las tensiones de deformacin, con un impacto subsiguiente

del elemento de corte sobre la superficie de la roca y conminucin de sta.

iii. Incremento de tensiones en la zona de contacto boca-roca con

desprendimiento de uno o varios fragmentos que una vez evacuados

permiten reiniciar el nuevo ciclo, (FIG.51).

FIG.51: Secuencia de corte (Fish y

Barker, 1956)


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Las experiencias realizadas por Fairhurst (1964) demuestran que el empuje y el

par de rotacin sobre la boca sufren grandes variaciones debido a la naturaleza

discontinua de formacin del detritus. (FIG.52).

La fuerza de corte es funcin de la geometra de la boca, la resistencia de la roca

y la profundidad de corte. Esta fuerza se descompone en dos: una tangencial Nt

y otra vertical E, (FIG.53).

FIG.52: Curvas de desplazamiento fuerza de una boca

de corte

FIG.53: Fuerzas que actan sobre el til de corte.


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La fuerza tangencial es la que vence el esfuerzo resistente de la roca frente a la

rotacin de la boca. El par Tr, medido en el eje del elemento de perforacin, es el

producto de la fuerza tangencial por el radio de la boca. El par resistente sobre el

rea total de corte, suponiendo que sea una corona circular, viene dado por:

= Siendo:

= Par resistente.

= Coeficiente de friccion de la roca.

= Empuje sobre la boca. = radio exterior de la boca. = radio interior de la boca.Este par resistente es determinado por el mnimo par de la perforadora que

permite penetrar la roca. Denominando re al radio efectivo de la boca, que sehace igual a:

=

La ecuacin anterior se transforma en:

=


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Se deduce que si es constante, el par es proporcional al empuje que se ejerce

sobre el til de corte. En la realidad, el coeficiente no es constante, ya que

vara con el espesor de corte y con el propio empuje.

El ndice que determina la penetracin en la roca se obtiene por la relacin entre laenerga consumida por la perforadora y la energa especfica de la roca.

La energa total consumida por el equipo es 2NrTr, siendo Nr la velocidad

de rotacin, por lo que se obtendr:

=

=

Siendo:

Ev=Energa especifica de la roca.

Ar=rea de la seccin transversal del barreno.

De esta relacin se deduce que la velocidad de penetracin para una roca dada ypara un dimetro de perforacin determinado es linealmente proporcional al

empuje y a la velocidad de rotacin, aunque en la prctica no es totalmente cierto,

ya que como se ha indicado el coeficiente de friccin de la roca vara con el

empuje. En la FIG.54, se observa que existe un valor de empuje por debajo del

cual no se consigue la velocidad de penetracin terica, sino un desgaste

excesivo, y un valor lmite que si se supera produce el agarrotamiento de la boca.


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La velocidad de rotacin est limitada por el creciente desgaste que sufren las

bocas al aumentar el nmero de revoluciones. Adems de la propia abrasividad de

las rocas, es necesario tener en cuenta que los desgastes aumentan conforme se

aplica un empuje mayor y las fuerzas de rozamiento entre la roca y la boca se

hacen ms grandes.

En la TABLA 14, se dan los empujes y velocidades de rotacin recomendados en

funcin del dimetro de los barrenos y resistencia a compresin de la roca. Como

lmites prcticos de la perforacin rotativa pueden fijarse dos: la resistencia a la

compresin de las rocas, que debe ser menor de 80 MPa, y el contenido en slice,

que debe ser inferior al 8%, pues de lo contrario los desgastes sern

antieconmicos.

LIMITE PORAGARROTAMIENTODE LA BOCA

EMPUJE APLICADO

VELOCIADAD

DEPENE

TRACION

PERDIDA DE LINEALIDADDEBIDO A UN DESGASTEEXCESIVO DE LA ROCA

FIG.54: Relacin entre el empuje y la velocidadde penetracin (Fish y Baker ,1956)


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Resis tencia a

compresin

(MPa)

Empuje unitario

(N/mm)

Dimetro del

barreno(mm)

Velocidad de giro

(r/min)

100

- - 75 70-100

>50 >210


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Tipos de rocaVelocidad de

penetracin(m/min)Sistema de barrido

Yeso duro 1,5-2 AguaCaliza, bauxita 1,5-2,5 Agua

Pizarra 1,5-3 Agua o en seco

Mineral de hierro blando 3-8 Aire hmedo o en seco

Yeso blando 3,5-6 Aire hmedo o en seco

Fosfato,carbn,sal

potasa3,5-10 Aire hmedo o en seco

5.3.3. Clasificacin de las rocas segn su perforabilidad y

abrasividad

TABLA 15.Velocidades tpicas en los diferentes tipos de rocas

FIG.55.Zonas de perforacin rotativa

FUENTE: Tabla extrada del libro manual de perforacin y voladura de rocas,

pag.107 (Instituto Tecnolgico Geominero de Espaa)


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Zona I:

Zona de dureza muy dbil y de poca abrasividad. Dominio de la perforacin

rotativa en seco, presin pequea.

Perforacin rotativa con poco empuje.

Empuje: 1 a 8kN.

Velocidad de rotacin: 800 a 1100 r/min.

Perforacin en seco.

Tipos de rocas: carbn, potasa, sal, yeso y fosfato blanco.

tiles: barrenas espirales y bocas bilabiales (=110 a 125; =75; =0 a

14).

Velocidad de penetracin =3,5 a 5m/min. Con aire hmedo las velocidades de penetracin se multiplican por 1,5 y 2.

Zona II:

Zona de dureza dbil y poca abrasividad. Dominio de la perforacin rotativa en

seco, o con inyeccin de aire a presin media.

Empuje: 8 a 12kN.

Velocidad de rotacin: 550 a 800r/min.

Perforacin con inyeccin de aire hmedo.

Tipos de rocas: caliza, bauxita blandas y minerales de hierro blandos.

Bocas de corte:( = 125; =75a 80; =0 a 2).


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Zona III:

Zona de dureza media y poca abrasividad. Dominio de la perforacin rotativa,

empujes grandes con inyeccin de agua a alta presin. El empuje sobre la barrena

puede llegar hasta 20 kN.

Empuje: 12 a 18kN.

Velocidad de rotacin: 300 a 550 r/min.

Perforacin con inyeccin de agua.

Tipos de rocas: bauxitas, caliza media, esquistos sin cuarcitas, yesos duros

y fosfatos duros.

Bocas de corte :( =125 a 140; =80; =-2 a 6).

Velocidad de penetracin: 1 a 1,8m/min

La potencia de rotacin, en HP, necesaria para hacer girar un trepano se calcula

con la formula siguiente:

=

,

Siendo:

D=Dimetro (mm).

Nr=velocidad de rotacin (r/min)

E=Empuje (KN).

El par de rotacin necesario se determina a partir de la expresin:

= , = par de rotacin (KNm)


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Zona IV:

Zona de gran dureza y alta abrasividad. Dominio de la roto-percusin hidrulica.

Los parmetros de perforacin que corresponden a cada zona, para unos

dimetros de perforacin comprendidos entre 30 y 51 mm

5.3.4. tiles de cor te

La eficiencia de corte de un til depende en gran medida del diseo del mismo, de

acuerdo con el tipo de roca que se desea perforar. FIG.56.

El ngulo de ataque vara generalmente entre 110 y 140, siendo tanto ms

obtuso cuanto ms dura es la roca a perforar, pues de lo contrario se producira el

astillamiento del metal duro. En ocasiones se llega a diseos con contornos

redondeados.

El ngulo del labio de corte vara entre 75 y 80 y el ngulo de corte entre

-6 y 14, siendo positivo en rocas blandas y negativo en rocas duras.

Por ltimo, el ngulo de desahogo vale = 90- = .

Un punto de la boca de corte situado a una distancia r, describe una hlice cuyo

ngulo es:

=

Siendo p el avance de la boca en cada giro completo.


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Debido al movimiento de la boca a lo largo de la hlice el ngulo de desahogo

efectivo es menor, (FIG.57):

= En puntos prximos al centro de la boca ese ngulo efectivo es cero, ya que en

esas zonas el til comprime a la roca, de ah que en la mayora de los diseos

exista un espacio libre en la parte central que permite conseguir mayores

velocidades.

FIG.56: ngulos caractersticos

de un til de corte (Fish y

Baker)

FIG.57: Trayectoria de un punto de la

boca (Fairhurst, 1964)


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5.4. Tecnologa del cortador fijo

Las modernas barrenas de cortador fijo son descendientes de la barrena dearrastre con cuchilla de acero y de las barrenas sacatestigos de diamante natural.

Existen dos tipos de barrena de cortador fijo: acero y de matriz, (FIG.58). Estas

barrenas clasificadas como de diamante natural, de un compuesto policristalinos

de diamante (PDC) hbridas e impregnadas de diamante, no cuentan con partes

mviles o cojinetes, sino que tienen cuchillas. En 1953, Hycalog comenz a

fabricar barrenas utilizando diamantes naturales colocados en la superficie.

Las barrenas de PDC se comenzaron a comercializar en 1973; los diseosmejorados hbridos combinaron el PDC y los cortadores revestidos de diamante.

Las barrenas impregnadas cuentan con diamantes en o cerca de la superficie de

las cuchillas. Los diamantes naturales estn montados en las barrenas con

estructura de acero o previamente fijados en las cavidades del molde antes de

sinterizar las barrenas de matriz con carburo de tungsteno. Los insertos de PDC

pueden montarse tanto en las barrenas de acero como en las barrenas de matriz.

La fabricacin de barrenas de acero de una sola pieza elimina la soldadura, y losdetalles de diseo son tales que pueden fabricarse ajustndose mucho ms a las

tolerancias. Las estructuras de corte se montan a presin en agujeros

precisamente labrados y ligeramente ms pequeos, perforados mediante fresas

controladas numricamente por computadora, (CNC, por sus siglas en Ingls) que

tambin cortan el agujero principal, las cuchillas, las ranuras para desechos o

conductos para el lodo, las cavidades de los insertos laterales y de PDC, los

agujeros de las boquillas y las roscas. El acero es ms blando que el carburo de

tungsteno, pero en las reas crticas pueden aplicarse metales duros. El carburo

de tungsteno es ms frgil que el acero, pero posee una mayor resistencia a la

erosin. Los polvos de carburo de tungsteno y una aleacin adherente se colocan

en un molde con un ncleo de acero y se sinterizan para producir barrena de


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matriz. Las partculas de carburo se unen y forman un enlace entre la parte interna

del ncleo de acero y la capa exterior de carburo de tungsteno o corona.

La energa necesaria para perforar una formacin se determina por la accin

cortante. De los mecanismos bsicos de remocin de rocas, el corte es el ms

eficaz debido a que la resistencia a la tensin de las rocas normalmente es menor

a la resistencia a la compresin. Las barrenas de PDC perforan rpido debido a la

accin de corte que ejerce, lo que requiere menos energa que las grandes cargas

que ocasionan fallas por compresin en las formaciones.

FIG.58: Tipos de barrenas con cortadores fijos.


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Las barrenas de diamante natural y las barrenas impregnadas de diamante

perforan lentamente ranurando y pulverizando respectivamente, lo que hace que

ambas requieran una gran carga sobre la barrena y altos esfuerzos de torsin,

(FIG.59). Las barrenas de cortadores fijos cuestan ms, pero perforan ms

rpidamente y duran ms que las barrenas de conos giratorios en algunas

formaciones duras y abrasivas.

FIG.59: Acciones de perforacin de los cortadores fijos.


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El diamante, el material ms duro conocido por el hombre, es carbn cristalino

casi puro. Es 10 veces ms duro que el acero, 2 veces ms duro y 10 veces ms

resistente al desgaste que el carburo de tungsteno, y 20 veces ms resistente a la

compresin que el granito. Adems, entre todos los materiales conocidos, el

diamante tiene el ms bajo coeficiente de friccin y la ms alta conductividad

trmica. Las barrenas de diamante natural utilizan diamante industrial (no de la

calidad del de las joyas) proveniente de rocas naturales, que son trituradas y

procesadas para producir tamaos especficos y formas redondeadas regulares.

Las velocidades de penetracin son relativamente bajas (aproximadamente 6m/h,

como mximo), pero una barrena de diamante diseada adecuadamente puede

durar hasta 6 das a 4572 m, en formaciones que van de semiduras a duras.

FIG.60: Sntesis del compuesto policristalino de diamante


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Cuando se introdujeron las barrenas de diamante, se utilizaron pequeos

diamantes en forma de arenilla. Los diamantes se colocaron en cuchillas de

carburo de tungsteno durante la sinterizacin, pero las cuchillas tendieron a

desgastarse demasiado rpido. Adems, los diamantes se aflojaban y finalmente

originaban la detencin de la perforacin. Esto dio como resultado barrenas

convencionales de diamantes con piedras ms grandes fijadas siguiendo patrones

especficos. No obstante, cuando los diamantes naturales fijados en la superficie

se salen de la matriz o se pulen, no quedan elementos duros y filosos para moler

las formaciones. Las velocidades de penetracin disminuyen y se presentan fallas

de desgaste del anillo.

En un principio, la aplicacin de barrenas de diamante natural no se comprenda

bien y los diseos se basaban en la intuicin. Hoy en da, las barrenas de

diamante y el tamao de los diamantes se ajustan a la dureza de la formacin. Las

barrenas para formaciones ms blandas utilizan diamantes grandes para producir

hendiduras. Los diamantes pequeos producen ms una accin de pulverizado y

se utilizan para perforar formaciones duras. Los diamantes naturales se forman en

zonas profundas de la tierra sometidas a intenso calor y extrema presin durante

miles de aos. A principios de la dcada de 1970, General Electric desarroll un

proceso de sinterizacin para fabricar diamantes sintticos, (FIG.60). Delgadascapas circulares de grafito de carbono y cobalto se colocaban en forma alternada

en pequeas latas y se prensaban a 2 millones de lpc (13,733 MPa). Luego se las

calentaba hasta 2732F [1500C] durante cinco minutos. El cobalto fundido,

actuando como catalizador y solvente, disuelve el grafito y deposita arenilla

monocristalina de diamante, la cual se conglomera y se une para formar una capa

policristalina de diamante o tabla. Los cristales individuales, como los diamantes

naturales se resquebrajan si las cargas de impacto se aplican en la direccincorrecta, pero los diamantes policristalina adheridos, no cuentan con planos de

clivaje (resquebrajamiento) y son ms resistentes al impacto.

Reed-Hycalog utiliza proveedores externos, pero tambin produce cortadores de

PDC para la investigacin y la fabricacin de barrenas con dos prensas cbicas de


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diamante propias. Este enfoque ayuda a establecer las especificaciones de las

barrenas de PDC en vez de tener que evaluar y aceptar nicamente productos

estndar. Los cortadores de PDC estn formados por discos de diamante sinttico

y substratos ms gruesos de carburo cementado. El cobalto forma un enlace con

el substrato para formar compactos integrales que con frecuencia se adhieren a

refuerzos ms largos de carburo cementado para el montaje.

Al ser calentado, el cobalto se expande ms que el diamante. A 700C esta

expansin quiebra el enlace entre el cobalto y el diamante, de modo que los

cortadores de PDC deben permanecer por debajo de esta temperatura a fin de

evitar la falla. Para ayudar a superar esta limitacin, los diamantes policristalinos

termalmente estables, (TSP, por sus siglas en Ingls) se producen tratando con

cido los nuevos diamantes sintticos con el fin de extraer el cobalto.

TRABAJO de TITULO Metodos Mecanicos en Perforacion de Roca

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