Tecnicas en Perforacion de Rocas en Mineria Superficial

Curso de Actualización:

“PERFORACION Y VOLADURA DE ROCAS EN MINERIA MINE RIA MINERI A SUPERFICIAL” TECNICAS MODERNAS MODERN AS Y OPTIMIZACION DE COSTOS MODER NAS COST OS Sesión Sesió n N° 2: “TECNICAS DE PERFORACION DE ROCAS”

Mg. Ing. Fredy Ponce R.

DIA MIERCOLES 02 NOVIEMBRE 2011 Sesión 2: 2: TECNICAS TECNICAS DE PERFO PERFORAC PERFORACION RACION ION DE DE ROCAS ROCAS Temario: I. CONCEP CONCEPTO TOS S GENERA GENERALES LES DE LA PER PERFOR FORACI ACION ON DE ROCA ROCAS S II. FA FACTOR CTORES ES QUE INFLU INFLUYEN YEN EN EL RENDIMIEN RENDIMIENTO TO DE LA PERFORACION III. GEOMECANICA DE ROCAS ROCAS APLICADA APLICADA A LA PERFORACION VOLADURA DE ROCAS IV. SISTEMA SISTEMAS S DE PERFOR PERFORACIO ACION N DE ROCAS ROCAS V. MET METODO ODOS S DE PERFOR PERFORAC ACION ION DE ROCA ROCAS S VI. EQUIPO EQUIPOS S DE PERFORACION PERFORACION EN MINERIA SUPERF SUPERFICIAL ICIAL


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“PERFORACION Y VOLADURA DE ROCAS EN MINERIA SUPERFICIAL” TECNICAS MODERNAS Y OPTIMIZACION DE COSTOS

I. CONCEPTOS CONCE CON CEPTO PTOS S GENERALES GENERA GENE RALE LES S DE DE LA CONCEPTO PERFORACION DE ROCAS


1. PERFORACION DE ROCAS CONCEPTO: • La perforación de rocas dentro del campo de las voladuras es la primera operación unitaria que se realiza, y tiene como finalidad abrir en la roca unos huecos u orificios cilíndricos denominados “Taladros”, “Barrenos”, “Hoyos” o “Blast Holes”, de diferentes diámetros y profundidades de acuerdo a diseños y parámetros sujetos a un mejoramiento continuo, y a una dinámica de cambios como la tecnología avanza.


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1. PERFORACION DE ROCAS OBJETIVO: • El objetivo de estos taladros es: alojar a las cargas de para a des después pués explosivos y sus accesorios iniciadores , par detonarlos y lograr la fragmentación de la roca requerida. req uerida.

Video 1: PERFORACION Mg. Ing. Fredy Ponce R.

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2. CONCEPTOS RELACIONADOS A LA PERFORACION 1) Pe Perfo rforar rar..- Agujerear taladrar la roca atravesando la longitud requerida.

2) Pe Percu rcusió sión.n.- Fuerza muy grande que actúa durante un tiempo 3) 4) 5) 6) 7)

brevísimo. Trit Tr itur urar ar..- Moler, desmenuzar una materia sólida sin pulverizarla. Presión Pres ión de de avance avance..- Fuerza que ejerce el émbolo neumático. Perfo Pe rforad radora ora..- Maquina empleada para la perforación de rocas y terrenos. Tala Ta ladr dro. o.-- Agujero echo con la herramienta de perforación. Perfo Pe rforac ración ión..- Acción de perforar.


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3. PRINCIPIOS DE PERFORACION DE ROCAS • Se basa en principios mecánicos de percusión y rotación, cuyos efectos de golpe y fricción producen el astillamiento y trituración de la roca en un área equivalente al diámetro de la broca y hasta una profundidad dada por la longitud del barreno utilizado. • La eficiencia en perforación consiste en lograr la máxima penetración al menor costo. • En perforación tienen gran importancia la resistencia al corte o dureza de la roca (que influye en la facilidad y velocidad de penetración) y la abrasividad. Esta última influye en el desgaste de la broca y por ende en el diámetro final de los taladros, cuando ésta se adelgaza (brocas chupadas).


PERFORACION PARA VOLADURA DE BANCO


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VELOCIDAD DE PENETRACIÓN Y BARRIDO • La velocidad de penetración no solamente depende de la aplicación de fuerza; también depende del barrido o limpieza de los detritos del taladro con aire comprimido y/o con agua a presión, a través de la misma barra conforme avanza la perforación. • Algunas perforadoras hidráulicas tienen una bomba especial para el agua de barrido, para conseguir una presión alta y constante por encima de 10 bar, lo que aumenta la velocidad de penetración. • La lubricación del sistema varillaje-broca durante el trabajo es fundamental, ya que cada máquina tiene su propio sistema, sea con agua, aire o ambos, con pulverización o nebulización de aceite.


VELOCIDAD DE PENETRACIÓN Y BARRIDO • No se debe utilizar sólo agua en materiales como sal, yeso, potasa, anhidrita o bauxita y ciertas arcillas, porque forman un lodo que atraca el varillaje. Como alternativa en este caso tendríamos: - Usar aire sólo (con mecanismo de vacío para colectar el polvo). - Perforar con barrenos helicoidales o augers, sin aire. - Mezcla controlada de aire-agua como niebla, para humedecer la inyección. • Por otro lado, el aire sólo tenderá a crear mucho polvo en el ambiente. • La dureza y abrasividad de la roca son factores importantes para determinar qué medio de perforación emplear: rotación simple o rotopercusión. Usualmente cuanto más suave sea la roca mayor debe ser la velocidad de perforación (normalmente hasta un máximo de 1 500 rpm). Por otro lado, cuanto más resistente sea a la compresión, mayor fuerza y torque serán necesarias para perforarla. Mg. Ing. Fredy Ponce R.

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II. FACTORES QUE INFLUYEN EN EL RENDIMIENTO DE LA PERFORACION


FACTORES QUE INFLUYEN EN EL RENDIMIENTO DE LA PERFORACION SUBTERRANEA 1) 2) 3) 4) 5) 6)

Tipo de aplicación del trabajo (masivo, estructural) Tipo de roca (dureza, resistencia compresiva, abrasividad) Tipo de equipo de perforación (neumático, hidráulico) Velocidad de penetración del martillo (pies/min) Presión de aire de barrido hacia arriba (lb/pulg²) Tipo de varillaje (broca, barra de extensión)

7) Diámetro y profundidad de taladros 8) Orientación de taladros (vertical, inclinado, horizontal) 9) Presión del aire comprimido (para equipos neumáticos) 10)Clima organizacional


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2.7) DIAMETRO Y PROFUNDIDAD DE TALADROS • Estos 2 factores influyen muy significativamente en el rendimiento de perforación. • Por ejemplo un taladro de mayor diámetro exige mayor tiempo en su penetración, al igual que la profundidad de los taladros en donde solo el hecho de aumentar una

barra de perforación más, hace que se eleve el tiempo en la perforación.

• Conforme se aumenta el diámetro o la profundidad de los taladros, la velocidad de perforación va disminuyendo , de un modo insignificante, cayendo bruscamente al ser sobrepasado de su límite.


2.8) ORIENTACION DE LOS TALADROS • Es otro factor que se tiene que tener presente, porque al

perforar los taladros de arrastres, alzas y coronas con los equipos de perforación en las labores subterráneas, se emplea entre 8 a 10% de tiempo mayor que para perforar los taladros de producción. • De igual forma con los jumbos de perforación radial, el simple hecho de perforar hacia arriba luego de pasar la longitud promedio, hace que retarde la perforación por el peso del varillaje.


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2.9) PRESION DEL AIRE COMPRIMIDO • Para el caso de los equipos de perforación neumáticos, el aumento de la presión del aire comprimido de 5 a 6 atmósferas hace aumentar la velocidad de perforación en 25 a 30%, y el aumento de 5 a 7 atmósferas en 45 a 65%. • Para que la perforación sea eficaz, es necesario que el fondo de los taladros se mantengan constantemente limpio, expulsando el detrito justo después de su formación. Si esto no se realiza, se consumirá una gran energía en la trituración de esas partículas traduciéndose en desgastes del varillaje de perforación y pérdidas de

rendimientos, con el consiguiente riesgo de atascamiento.


2.10) CLIMA ORGANIZACIONAL • El deseo de que nos saluden y nos traten con cariño es una necesidad humana. Hasta los recién nacidos lo experimentan; si se les niega el contacto físico, su desarrollo se ve afectado. • En cambio hay muchos adultos que tienen una armadura emocional. Parecen ser capaces de vivir todo el tiempo sin sonreír o demostrar amabilidad. Es muy frecuente ver en las empresas de hoy, bastante orden y limpieza en el área de trabajo, más su personal labora muchas veces sin el clima comunicacional. • El clima de la organización no proviene tanto de la faena específica que realiza cada uno de los miembros de la empresa, sino de cómo se sienten respecto a ésta y con los compañeros de trabajo. Mg. Ing. Fredy Ponce R.

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2.10) CLIMA ORGANIZACIONAL • Cuando los trabajadores sienten respeto y son valorados el clima es positivo y lo contrario cuando se tiene poca confianza y aprecio por ellos. • Este factor es muy importante porque decide el triunfo en la tarea, y a todo supervisor, jefe o gerente le agradaría escuchar o saber que su cuadrilla, turno o empresa vendió más minerales que el me anterior, que sus estados financieros mejoraron con estas ventas, porque se obtuvo mejor rendimiento en término de unidades producidas vs los costos optimizados.




III. GEOMECANICA DE ROCAS APLICADA A LA PERFORACION Y VOLADURA DE ROCAS


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1. CONCEPTUALIZACION ACTUAL DE LA GEOMECÁNICA • Hoy en día la geomecánica juega un rol muy importante en la ingeniería minera e ingeniería civil; particularmente constituye la base científica de la ingeniería minera, ya que a diferencia de la ingeniería civil, tiene sus propias peculiaridades, guiados por el concepto “vida de la operación”. • La caracterización geomecánica del macizo rocoso será vital para las operaciones unitarias de perforación y voladura a emplearse. • La aplicabilidad de la Geomecánica beneficia el aspecto de la seguridad minera , ya que la aplicación de esta ciencia, garantiza el análisis adecuado para el control de estabilidad de las excavaciones subterráneas y superficiales. Todo Diseño Minero y/o Civil debe tomar el factor geomecánico como herramienta clave para un diseño correcto. Las operaciones de Perforación y Voladura deberán tomar el factor geomecánico como base para sus diseños respectivos. Mg. Ing. Fredy Ponce R.

2. CAUSAS DEL DESARROLLO DE LA GEOMECÁNICA Básicamente su desarrollo obedece a las siguientes causas: » Incremento de la actividad científica a través de teorías, métodos, instrumentación y implementación de software geomecánicos. » Incremento del tamaño y volúmenes de producción de las operación mineras, subterráneas y superficiales. Control de la estabilidad global del yacimiento..Nexo con técnicas de perforación y voladura, sumado al soporte. » Necesidad de explotación de recursos minerales en ambientes desfavorables de minado. Condiciones desfavorables ambientes de alta ley. Nexo con técnicas de perforación y voladura, sumado al soporte. » La conservación del recurso humano y la seguridad industrial. [Normas MEM]. » Aplicación de nuevas tecnologías de excavaciones de roca: perforación y voladura .


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3. BENEFICIOS DE LA GEOMECÁNICA La aplicación de la Geomecánica, beneficiará a las diversas áreas operativas de la Compañía Minera, beneficiándolas en los siguientes aspectos: a) Garantizar la seguridad durante la excavación de las labores mineras, mediante la interpretación de deformaciones, niveles de esfuerzos, principalmente. b) Permitirá brindar a los departamentos de perforación y voladura a fin de seleccionar el tipo y cantidad de explosivo adecuada para el tipo de roca a ser excavada . c) Define las aberturas máximas y tiempos de autosoporte de las excavaciones mineras: temporales y permanentes. d) Determina la estabilidad estructuralmente controlada de las labores de preparación y explotación [EEC], verificando en cada una de ellas la formación de bloques y cuñas inestables. Mg. Ing. Fredy Ponce R.

3. BENEFICIOS DE LA GEOMECÁNICA e) Permitirá definir las secuencias de explotación, tanto a nivel particular y global en el yacimiento. f) Permitirá definir las categorías y tipos de sostenimiento a aplicarse, determinando estándares de sostenimiento en función a los tiempos de exposición de las labores mineras: preparaciones y explotación. g) Permitirá la estandarización del tipo y cantidades de sostenimiento a aplicarse en cada una de las labores mineras, así como el tipo de relleno a aplicarse. h) Permitirá seleccionar y diseñar alternativas de nuevos métodos de explotación en las futuras zonas de explotación. Así como establecer algunas variantes en el método de explotación aplicado actualmente. i) Permitirá mediante el monitoreo geomecánico verificar y validar suposiciones adoptadas durante las fases de diseño inicial del laboreo minero. Mg. Ing. Fredy Ponce R.

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4. PROPIEDADES GEOMECÁNICAS DE INTERÉS PARA LAS TÉCNICAS DE PERFORACIÓN Y VOLADURA • Como lo indicáramos el análisis e interpretación del comportamiento mecánico del macizo rocoso estará íntimamente relacionado al desarrollo de las técnicas de perforación y voladura a efectuarse. • Teniendo como objetivo general: “excavar en el macizo rocoso causando el menor daño posible a la zona de influencia del trazo de la perforación”. • Los parámetros geomecánicos que deben ser considerados para un correcto diseño de la perforación y voladura en el macizo, básicamente son: 1) Módulos elásticos de la masa rocosa (Radio de Poisson, Módulo de Elasticidad). 2) Resistencia a la compresión uniaxial de la masa rocosa. 3) Condiciones de las discontinuidades. 4) Resistencia a la tensión. Mg. Ing. Fredy Ponce R.

4.1) CONSTANTES ELÁSTICAS

a) Modulo de Young (E) La elasticidad es la propiedad que hace un objeto, que ha sido deformado, regrese a su forma original después de que se han removido las fuerzas deformadoras. Según esta definición, casi todos los materiales son elásticos (hasta cierto límite). Robert Hooke estableció que el esfuerzo es proporcional a la deformación (σ ∞ ε); a esto se le conoce como la ley de Hooke . El módulo de elasticidad se representa por la letra E y por consiguiente se calcula con la siguiente relación:

Donde: E = Módulo de Young. Σ = Esfuerzo o tensión. Є = Deformación. Mg. Ing. Fredy Ponce R.

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a) Modulo de Young (E) • Aunque da la impresión de ser una medida de las propiedades elásticas de los materiales, E es una medida de su rigidez , entre mayor es el valor de esta constante, mayor es la rigidez del material. Esta constante de proporcionalidad fue calculada a principios del siglo XIV por Tomas Young por lo que es llamado el módulo de Young y corresponde a la constante de proporcionalidad que relaciona el esfuerzo y la deform ación unitaria (mientras que el material no exceda su límite elástico). • El Modulo de Young es una medida de resistencia elástica o de la habilidad de una roca para resistir la deformación . Cuanto mayor sea el Modulo de Young mayor dificultad tendrá para romperse . • Tiene influencia en la malla de perforación, tipo y cantidad de explosivo a disponer en las operaciones de voladura. Mg. Ing. Fredy Ponce R.


b) Relación de Poisson (v) Cuando un cuerpo se acorta por efecto de una compresión, se alarga en la dirección perpendicular a la compresión. Un cuerpo alargado por efecto de una tracción, disminuye su ancho en la dirección perpendicular a la tensión. La relación entre la deformación longitudinal y la deformación transversal se denomina coeficiente de Poisson (v).

El coeficiente de Poisson es la razón entre la contracción lateral y la elongación axial.


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MÓDULOS DE YOUNG Y COEFICIENTES DE POISSON TÍPICOS PARA ROCAS


4.2) RESISTENCIA A LA COMPRESIÓN (RCU) • Considerada una de las propiedades más importante a utilizar en el diseño de la perforación y voladura, verifica la resistencia a sobrepasar para llegar a la rotura por presión. • Su conocimiento determina la técnica de perforación y voladura a emplear: selección de trazo de perforación, selección de tipo de explosivos, principalmente sumada al estudio de las constantes elásticas de la roca. • La Resistencia a la compresión de la roca puede determinarse en forma rápida en los frentes avance, conociendo de esta forma la respuesta del macizo rocoso a ser excavado, reaccionando oportunamente para las variantes de perforación y voladura a ejecutarse. • La RCU en el campo, se llega a determinar mediante la utilización del Martillo Schmith, el cual puede formular rangos de resistencia de roca de 20 - 400 MPa. Los análisis deberán ser efectuados discretizando dominios geomecánicos. Mg. Ing. Fredy Ponce R.

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4.3) CONDICIONES DE LAS DISCONTINUIDADES • Condición de distribución espacial de las discontinuidades [mayores y menores] orientaciones y espaciamiento básicamente . Dichas propiedades deberán ser evaluadas respecto a los principales sistemas de discontinuidades presente en el macizo rocoso. • El espaciamiento determinará el tamaño de bloques in situ y por ende el grado de fragmentación del macizo rocoso esperado. Los programas de Perforación y voladura apuntarán a lograr la óptima fragmentación en función a este parámetro. • La performance de la perforación y voladura, responderá a las condiciones de estabilidad que asocia la distribución espacial de las discontinuidades.


4.4) RESISTENCIA A LA TENSIÓN • Asocia la resistencia de la roca a ser deformada hasta llegar a su punto de rotura, Operativamente se conoce a este parám etro como Resistencia al Arranque . • Asocia la fragilidad de la masa rocosa cuando es sometida a esfuerzos de tensión. • Asocia la resistencia de la roca a ser deformada, es la resistencia elástica del macizo rocoso. • Los ensayos de laboratorio de Compresion Uniaxial determinarán los módulos elásticos de Poisson y Young. Si no se cuenta con información de ensayos de laboratorio se pueden estimar con ayuda de Softwares geomecánicos y formulaciones, que asocian los parámetros de resistencia básicamente.


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PARÁMETROS GEOMECÁNICOS PROPIEDADES DE INGENIERÍA

RESISTENCIA Resistencia a la Tracción Resistencia a Compresión Uniaxial (RCU)

DEFORMABILIDAD Módulos Elásticos: a) Módulo de Young (E) b) Módulo de Poisson (v)

Resistencia a Compresión Triaxial: a) Cohesión (c) b) Angulo de fricción (Ø)

ENERGIA REQUERIDA DEL EXPLOSIVO Mg. Ing. Fredy Ponce R.

5. FUNDAMENTOS DE LA CLASIFICACIÓN RMR (ROCK MASS RATING) CRITERIOS DE DAÑO EN EL MACIZO ROCOSO Los mecanismos de daño producto de la voladura tienen efectos realmente nocivos en la estabilidad del macizo rocoso. Las malas técnicas de perforación y voladura a emplearse por el desconocimiento de las propiedades geomecánicas del macizo rocoso, producirán efectos de grado considerable en el estabilidad de las excavaciones subterráneas.

A) DAÑOS INDUCIDOS EN EL MACIZO ROCOSO POR LA VOLADURA a) b) c) d) e)

Generación de nuevas fracturas a las existentes. Apertura de discontinuidades pre - existentes. Reducción de la resistencia al corte de las discontinuidades. Degradación de la Calidad Geomecánica del Macizo Rocoso. Activación de Energías Geodinámicas presentes en el macizo rocoso.


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INFLUENCIA DE LA DEGRADACIÓN DE LA CALIDAD DE ROCA

Efecto de la influencia de las Vibraciones causadas por efecto de la voladura, daño en el macizo. Control de los Niveles de Vibración para los Factores de reducción de RMR por Daño. Mg. Ing. Fredy Ponce R.



II. SISTEMAS DE PERFORACION DE ROCAS


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1. SISTEMAS DE PERFORACION DE ROCAS • Existen distintos sistemas de perforación de rocas, diferenciados principalmente por el tipo de energía que utilizan, y han sido desarrollados y clasificados por orden de aplicación: 1) Mecánicos: • Percusión • Rotación • Rotopercusión

2) Térmicos: • • • •

Soplete o lanza térmica Plasma Fluido caliente Congelación

3) Químicos: • Microvoladura • Disolución

4) Sónicos: • Vibración de alta frecuencia

5) Hidráulicos: • Chorro de agua • Erosión • Cavitación

6) Eléctricos: • Arcoeléctrico • Inducción magnética

7) Nucleares: • Fusión • Fisión

8) Sismicos: • Rayo Láser


2. SISTEMA MECANICO DE PERFORACION DE ROCAS • A pesar de la enorme variedad de sistemas posibles de penetración de la roca, en trabajos de minería tanto a tajo abierto como en minería subterránea y en obras de construcción, la perforación se realiza actualmente de una forma casi general, utilizando LA ENERGÍA MECÁNICA, debido a su mayor practicidad, desarrollo y economía. • Este sistema define distintos métodos de perforación y componentes de perforación. • La perforación de roca es aún mecánica por percusión rotación, y lo será por buen tiempo más.


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“LOS VIEJOS PERFORADORES”


3. CLASIFICACION DEL SISTEMA MECANICO DE PERFORACION DE ROCAS


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3. CLASIFICACION DE PERFORACION MECANICA DE ROCAS 3.1) SEGÚN METODO DE PERFORACION Los dos grandes métodos mecánicos de perforación de rocas son los rotopercutivos y los rotativos.

A) ROTOPERCUSIVOS En este método tiene lugar la acción combinada de percusión, rotación, barrido y empuje. Son muy utilizados en labores subterráneas y minería a cielo abierto, tanto si el ma rtillo se sitúa en la cabeza como en el fondo de la perforación. Son los más utilizados en casi todos los tipos de roca, tanto si el martillo se sitúa en cabeza como en el fondo del barreno. tanto para equipos neumáticos como hidráulicos.


3. CLASIFICACION DE PERFORACION MECANICA DE ROCAS 3.1) SEGÚN METODO DE PERFORACION A) ROTOPERCUSIVOS Entre los equipos que utilizan este método están los manuales, y los mecanizadas montados en chasis sobre ruedas u orugas; para taladros hasta 150 mm (6” de diámetro) y 20 m de profundidad. Ejemplos: los martillos manuales, wagondrill, track drill y jumbos neumáticos o hidráulicos, que emplean barrenos acoplables con brocas intercambiables.


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3. CLASIFICACION DE PERFORACION MECANICA DE ROCAS 3.1) SEGÚN METODO DE PERFORACION B) ROTATIVOS Generalmente utilizan equipos de grandes dimensiones para uso en minas a tajo abierto, montadas sobre camión o sobre orugas con traslación propia, con motor rotatorio independiente y perforación por presión (pull down o presión de barra). Utilizan con brocas rotatorias tricónicas de 6” a 15” de diámetro, siendo las más comunes de 6”, 9 7/8” , 11¼” y 12 5/8”.


3. CLASIFICACION DE PERFORACION MECANICA DE ROCAS 3.1) SEGÚN METODO DE PERFORACION B) ROTATIVOS Se subdividen a su vez en dos grupos, según que la penetración se realice por trituración, 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.


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CAMPOS DE APLlCACION DE LOS METODOS DE PERFORACION En función a la Resistencia Compresiva de l as rocas y al diámetro de perforación

MÉTODOS DE PERFORACIÓN EN TRABAJOS A CIELO ABIERTO (ATLAS COPCO)


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3. CLASIFICACION DE PERFORACION MECANICA DE ROCAS 3.2) SEGÚN TIPO DE MAQUINARIA A) PERFORACION MANUAL Es el sistema de perforación conocido como convencional, y se realiza con equipos ligeros operados a mano por perforistas, con el método de perforación rotopercusivo, tipo martillo en cabeza. Se utiliza muy frecuentemente para labores puntuales y obras de pequeña escala o envergadura, donde, principalmente por dimensiones, no es posible usar otras máquinas o no se justifica económicamente su empleo. Son equipos de percusión con aire comprimido, para huecos pequeños (25 a 50 mm de diámetro), para trabajo horizontal o inclinado (jack leg), vertical al piso (pick hammer) o para taladros verticales al techo (stopers). Emplean barrenos de acero integrales terminados en una broca fija tipo bisel, o barrenos con broca acoplable. Mg. Ing. Fredy Ponce R.

3. CLASIFICACION DE PERFORACION MECANICA DE ROCAS 3.2) SEGÚN TIPO DE MAQUINARIA B) PERFORACION MECANIZADA Los equipos de perforación van montados sobre unas estructuras, de tipo mecano, con las que el operador controla todos los parámetros de la perforación desde una posición cómoda. Estas estructuras o chasis pueden ir montadas sobre neumáticos u orugas y ser automotrices o remolcables. La mecanización utiliza sistemas que permiten relacionar las variables de rotación, empuje, percusión y barrido con las variables dependientes de la roca (dureza, resistencia), y con las posibilidades de los equipos de perforación, en función de una mayor velocidad de penetración y rendimiento . Este tipo de perforación usan los métodos rotopercusivos, tanto martillo en cabeza como martillo en fondo, neumáticos e hidráulicos; así como el método rotativo. Mg. Ing. Fredy Ponce R.

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3. CLASIFICACION DE PERFORACION MECANICA DE ROCAS 3.3) SEGÚN TIPO DE TRABAJO Los tipos de trabajo, tanto en obras de superficie como subterráneas, pueden clasificarse en los siguientes grupos:

A) PERFORACION DE BANQUEO Son perforaciones verticales, inclinadas y en algunos casos horizontales, utilizadas preferentemente en proyectos de minería a cielo abierto y en minería subterránea (métodos de explotación de hundimiento por subniveles. Es el mejor método para la voladura de rocas ya que se dispone de un frente Iibre para la salida y proyección del material y permite una sistematización de las labores.


3. CLASIFICACION DE PERFORACION MECANICA DE ROCAS 3.3) SEGÚN TIPO DE TRABAJO B) PERFORACION DE PRODUCCION Este término se utiliza en las explotaciones mineras subterráneas y superficiales, para aquellas labores de extracción del mineral. Los equipos y los métodos varían según los sistemas de explotación, siendo un factor común el reducido espacio disponible en las galerías para efectuar los taladros en las operaciones subterráneas. Una perforación de producción corresponde a la que se ejecuta para cumplir los programas de producción que están previamente establecido.


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4. COMPONENTES PRINCIPALES DE UNA PERFORACION MECANICA DE ROCAS

a) Perforadora, que es la fuente de energía mecánica. b) Varillaje, es el medio de transmisión de dicha energía. c) Broca, útil que ejerce dicha energía sobre la roca. d) Fluido de barrido, que efectúa la limpieza y evacuación del detrito producido.




III. PRINCIPIOS DE ROTURA EN METODO ROTOPERCUSIVO


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1. METODOS DE PERFORACION MECANICA DE ROCAS

Fuente: Manual de Voladura EXSA Mg. Ing. Fredy Ponce R.

1. METODOS DE PERFORACIÓN MECANICA DE ROCAS 1) Perforación por Percusión Simple.- con efecto de golpe y corte como el de un cincel y martillo. Ejemplo, el producido por los martillos neumáticos pequeños y rompepavimentos. 2) Perforación por Percusión y Rotación.- con efecto de golpe, corte y giro, como el producido por las perforadoras neumáticas comunes, trackdrills, jumbos hidráulicos. 3) Perforación por Rotación y Trituración.- con efecto de corte por fricción y rayado con material muy duro (desgaste de la roca, sin golpe), como el producido por las perforadoras diamantinas para exploración.

4) Perforación por Rotación y Corte.5) Perforación Rotativa con Diamantes.-


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2. METODOS ROTOPERCUSIVOS Corresponde al sistema más antiguo y clásico de perforación de rocas, utilizado desde el siglo XIX, que se basa en el impacto de una pieza de acero (PISTON) que golpea a un accesorio (ADAPTADOR), que a su vez transmite la energía por el acero (BARRA) hasta la unidad de corte

Mecanismo de Perforación con Martillo

(BROCA). Transferencia de la Energía

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Principios de Rotura de Roca por Método Rotopercusivo • La perforación rotopercutiva emplea la acción combinada de percusión, rotación, empuje y barrido , ya sea en equipos manuales para labores menores (pequeña minería subterránea y obras de construcción de poca envergadura), o en equipos mecanizados (principalmente en minería subterránea de gran escala; trabajos de precorte en minería a cielo abierto, y en obras de construcción de gran envergadura. • En la perforación por percusión y rotación, la roca se tritura por efecto de la elevada fuerza o presión que aplica sobre la misma con la broca. Esto hace que se crea una tensión en la roca alrededor del punto de contacto del inserto de la broca que aumenta conforme se incrementa la carga. • El material que se encuentra debajo de la broca se convierte en polvo fino, mientras que en las inmediaciones del inserto de la broca se forma una zona triturada. Mg. Ing. Fredy Ponce R.

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Proceso de trituración durante una onda de choque choque

Herramienta de prueba afilada

Herramienta de prueba con cierto desgasta

Herramienta de prueba totalmente desgastado, no se produce La fuerza de avance hace que la broca continúe trituración, solo una la penetración, luego se repite rápidamente la deformación que secuencia de trituración, y a medida que aumenta desaparece conforme se la profundidad de penetración aumenta también el reduce la fuerza sobre la herramienta tamaño de los trozos de roca


2. METODOS ROTOPERCUSIVOS Se tiene 2 métodos rotopercusivos, dependiendo de la ubicación del martillo con respecto a la perforación: martillo en cabeza (top hammer), y martillo en fondo (down the hole).

2.1) MARTILLO EN LA CABEZA DE PERFORACION (Top Hammer) El martillo se sitúa en la cabeza de la columna de perfor ación. La rotación y percusión se produce fuera del taladro, y puede ser accionado neumática o hidráulicamente. Sus características principales son: • Diámetro de perforación limitado hasta 5” (127 mm) • Para todo tipo de roca y dureza • La velocidad de perforación (m-p/h) disminuye, conforme profundiza, por pérdida de energía en la transmisión de onda de choque y desviación del taladro (longitud ≤ 30 m) • Presiones de aire son limitados (≤ 150 PSI) Mg. Ing. Fredy Ponce R.

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2.1) MARTILLO EN LA CABEZA DE PERFORACION (Top Hammer) Este sistema de perforaci�n se puede calificar como el m�s cl�sico o convencional, y aunque su empleo por accionamiento se vio limitado por los martillos en fondo y equipos rotativos, la aparici�n de los martillos hidr�ulicos en la d�cada de los setenta lo ha hecho resurgir, ampliando su campo de aplicaci�n.


2. METODOS ROTOPERCUSIVOS 2.2) MARTILLO EN EL FONDO DE PERFORACION (Down The Hole) El martillo se sitúa en el fondo de la perforación. La percusión se realiza directamente sobre la broca y la rotación se efectúa fuera del taladro, y puede ser accionado neumática o hidráulicamente. La relación carrera / diámetro es de: 1.6 - 2.5 en diámetros pequeños, en diámetros grandes ≥ 1.0 Sus características principales son: • Para todo tipo de roca y dureza • Requiere aire a alta presión ( ≥ 250 PSI) • Diámetro limitado de 3½” - 6” (89 - 152 mm.) • La profundidad no es un factor limitante.


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3. PRINCIPIOS DE LA PERFORACION NEUMATICA MANUAL 3.1) PERCUSION El efecto de impacto producido por el golpe del pistón a la culata del barreno, transmite la energía cinética en forma de onda de choque, la cual se desplaza a lo largo del barreno hasta llegar al inserto.

INSERTO

CULATA

BROCA


3. PRINCIPIOS DE LA PERFORACION NEUMATICA MANUAL 3.1) PERCUSION

O n d a c o m p r e s i v a

O n d a t e n s i o n a l

La onda de choque se desplaza a una velocidad de 5,000 5,000 m/seg m/ seg conocida como VELOCIDAD DE IMPACTO DE PISTON. Mg. Ing. Fredy Ponce R.

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3. PRINCIPIOS DE LA PERFORACION NEUMATICA MANUAL 3.2) ROTACION Es el efecto que produce el giro del barreno producido por los impactos del pistón. El movimiento del barreno hace girar al inserto para que los impactos sucesivos sobre la roca actúen en diferentes puntos en el fondo del taladro.


3. PRINCIPIOS DE LA PERFORACION NEUMATICA MANUAL 3.3) EMPUJE Permite mantener en contacto permanente la broca o acero de perforación con la roca ejerciendo presión equilibrada hacia la roca.


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3. PRINCIPIOS DE LA PERFORACION NEUMATICA MANUAL 3.4) BARRIDO Es la evacuación de detritus del fondo del taladro. Se realiza con fluido de aire y agua que se inyecta a presión hacia el fondo del taladro a través de un orificio central del varillaje y de la broca.


4. METODOS ROTATIVOS • Los métodos rotativos se subdividen en dos grupos, según si la penetración en la roca se realiza por trituración (triconos) o por corte (brocas especiales). • El primer sistema se aplica en rocas de dureza media a alta y el segundo en rocas blandas. • En este tipo de perforación no existe la percusión .


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IV. PERFORACION MECANIZADA ROTOPERCUSIVA (Neumática vs. Hidráulica)


1. CONCEPTOS DE PERFORACION MECANIZADA ROTOPERCUSIVA • La necesidad de incrementar los diámetros de perforación (sobre 3") para responder a mayores ritmos de producción en las labores mineras y de construcción, y el desarrollo tecnológico en el ámbito de la automatización de las operaciones introdujeron importantes cambios a la perforación de rocas. • La mecanización utiliza sistemas que permiten relacionar los valores de las variables de rotación, empuje, percusión y barrido con los de las variables dependientes de la roca (dureza, resistencia ), y con las posibilidades de los equipos de perforación, en función de una mayor velocidad de penetración y rendimiento , que en definitiva llevan a:

ii UN MENOR COSTO POR METRO PERFORADO !! Mg. Ing. Fredy Ponce R.

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1. CONCEPTOS DE PERFORACION MECANIZADA ROTOPERCUSIVA • La energía que descarga el pistón de la perforadora, rompe la roca en astillas pequeñas (recortes) • El sistema de rotación gira la broca para que ésta encuentre roca sin romper y con el siguiente impacto, la rompa. • No requiere de altos torques ni alta fuerza de empuje • En una perforación mecanizada rotopercusiva, los equipos van montados sobre estructuras llamadas orugas o neumáticos, desde donde el operador controla en forma cómoda todos l os parámetros de perforación.


2. TIPOS DE PERFORACION MECANIZADA ROTOPERCUSIVA De percusión y de rotopercusión, montadas en chasis sobre ruedas u orugas. Para taladros hasta 150 mm (6” de diámetro) y 20 m de profundidad. Ejemplo los wagondrill, track drill y jumbos neumáticos o hidráulicos, que emplean barrenos acoplables con brocas intercambiables.

MARTILLO EN CABEZA

MARTILLO EN FONDO


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3. PERFORACION CON MARTILLO EN CABEZA 3.1) CARACTERISTICAS PRINCIPALES a) El martillo (drifter) se sitúa en la cabeza o parte superior de la columna de perforación, y va instalado en perforadoras sobre orugas (trackdrills), y se usa en la perforación de taladros de pequeño diámetro y de poca profundidad. b) Se mantiene en la guía, aplicando percusión y rotación a la columna, el cual se produce fuera del taladro, y puede ser accionado neumática o hidráulicamente. c) El diámetro de perforación limitado de 1 5/8” hasta 5½”. d) La profundidad del taladro limitada máximo de 12 a 17 m. e) Aplicable para todo tipo de roca y dureza f) La velocidad de perforación disminuye, conforme profundiza, por pérdida de energía en la transmisión de onda de choque y desviación del taladro (longitud ≤ 30 m) g) Las presiones de aire son limitados (≤ 150 PSI). Mg. Ing. Fredy Ponce R.

MONTAJE TIPICO DEL DRIFTER


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3. PERFORACION CON MARTILLO EN CABEZA 3.2) PERFORACION NEUMATICA CON CON TRACKDRILL En este tipo de perforadoras, el martillo es accionado por aire comprimido. Este sistema de perforación (neumático con martillo en cabeza) se puede calificar como el más clásico o convencional, y aunque su empleo se vio limitado por los martillos en fondo y equipos rotativos, la aparición de los martillos hidráulicos en la década de los setenta lo ha hecho resurgir, ampliando su campo de aplicación.

A) COMPONENTES DE UN MARTILLO NEUMÁTICO: a) Cilindro, cerrado con una tapa delantera que dispone de una abertura axial donde va colocado el elemento portabarras, así como un dispositivo retenedor de barras de perforación.


3.2) PERFORACION NEUMATICA CON TRACKDRILL A) COMPONENTES DE UN MARTILLO NEUMÁTICO:

b) Pistón, que con su movimiento alternado golpea el vástago o culata a través de la cual se transmite la onda de choque a las barras de perforación. c) Válvula, que regula el paso de aire comprimido en un volumen determinado y de manera alternativa a la parte anterior y posterior del pistón. d) Mecanismo de rotación, ya sea de barra estriada, barra de trinquetes o de rotación independiente. e) Sistema de barrido, que consiste en un tubo que permite el paso del aire hasta el interior del varillaje o barras Generalmente estos elementos son comunes, varían las características de diseño, diámetro de cilindro, longitud de carrera, conjunto de válvulas de distribución, etc. Mg. Ing. Fredy Ponce R.

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3. PERFORACION CON MARTILLO EN CABEZA 3.2) PERFORACION NEUMATICA CON TRACKDRILL B) CARACTERÍSTICAS PROMEDIOS DE MARTILLOS NEUMÁTICOS: Características Relación: Ø Pistón / Ø Perforación Carrera del pistón Frecuencia de golpeo Velocidad de rotación Consumo relativo de aire por cada cm. de diámetro

Und

Valores

mm / mm

1.50 - 1.70

mm

50 - 140

golpes/min

1,000 - 2,800

RPM

40 - 400

m³/min

2.10 - 2.80

C) VENTAJAS QUE OFRECEN LOS TRACKDRILLS NEUMATICOS:     

Gran simplicidad de manejo. Fiabilidad y bajo costo de mantenimiento. Facilidad de reparación. Bajos precios de mercado. Posibilidad de funcionar conectados a antiguas instalaciones de aire comprimido de minas subterráneas.


3. PERFORACION CON MARTILLO EN CABEZA 3.2) PERFORACION NEUMATICA CON TRACKDRILL D) CAMPO DE APLICACIÓN DE TRACKDRILLS NEUMÁTICOS: Las longitudes de perforación alcanzadas mediante este sistema de perforación (neumáticas con martillo en cabeza) suelen no superar los 30 m, debido a las importantes pérdidas de energía en la transmisión de la onda de choque y a las desviaciones que tienen lugar en la perforación. Sin embargo, sus aplicaciones se han ido estrechando cada vez más hacia perforaciones cortas, de longitudes entre 3 y 15 m, y diámetros entre 50 mm a 100 mm, debido fundamentalmente a que la frecuencia de impactos y la forma de la onda de choque que se transmite con pistones de gran diámetro conllevan a un elevado consumo de aire comprimido (2,4 m³/min por cada cm. diámetro) y a fuertes desgastes que se producen en todos los accesorios (barras, manguitos, brocas, etc.). Estas características constituyen sus

principales desventajas. Mg. Ing. Fredy Ponce R.

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E) TRACKDRILLS NEUMATICOS (con Martillo en Cabeza)


E) TRACKDRILLS NEUMATICOS (con Martillo en Cabeza)


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E) TRACKDRILLS NEUMATICOS (con Martillo en Cabeza) Marca: AIR SERVICE

Modelo: BJ 442P Características Técnicas: Energia de Impacto Freqüência Torque Rotação

.m 3000 bpm .m 0 – 180 RPM

Pressão de Trabalho – .

140 kgf/cm²

2000psi

140 l/min 80 l/min 60 l/min

36,5 GPM 21 GPM 15,5 GPM

Interna 6 Estrias T38 or T45


65 –

2 ½” – 4 ½”

Vazão Hidráulica – . Vazão Hidráulica – impacto Vazão Hidráulica – rotação Peso Comprimento Total (sem punho) Largura Total Altura Total Sopro (limpeza) Punho

Diâmetro de Perfuração

.ft 3000 bpm .ft 0 – 180 RPM


3. PERFORACION CON MARTILLO EN CABEZA 3.3) PERFORACION HIDRAULICA CON TRACKDRILL A finales de los años 60’s y comienzo de los 70’s tuvo lugar un gran avance tecnológico en la perforación de rocas a causa del desarrollo de los martillos hidráulicos . Una perforadora hidráulica consta básicamente de los mismos elementos que una neumática. Sin embargo, la principal diferencia entre ambos sistemas radica en que las perforadoras hidráulicas utilizan un motor que actúa sobre un grupo de bombas, las que suministran un caudal y presión de aceite

que acciona los componentes de rotación y movimiento alternativo del pistón.


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3. PERFORACION CON MARTILLO EN CABEZA 3.3) PERFORACION HIDRAULICA CON TRACKDRILL Aunque en un principio la introducción de estos equipos fue más importante en trabajos subterráneos, con el tiempo se han ido imponiendo en las labores de perforación de superficie, complementando a las perforadoras neumáticas. A) CARACTERÍSTICAS PROMEDIOS DE MARTILLOS HIDRÁULICOS: Características

Und

Valores

Presión de trabajo Potencia de impacto Frecuencia de golpeo Velocidad de rotación Par máximo Consumo relativo de aire por cada cm. de diámetro

Mpa Kw golpes/min RPM Nm

12 - 25 6 - 20 2,000 – 5,000 1 - 500 100 – 1,800

m³/min

0.60 - 0.90


3. PERFORACION CON MARTILLO EN CABEZA 3.3) PERFORACION HIDRAULICA CON TRACKDRILL B) VELOCIDAD DE PENETRACIÓN DE UN MARTILLO HIDRAULICO Depende de factores como: a) Características geológicas de la roca b) Propiedades físicas de la roca c) Diámetro de taladro d) Potencia de la perforadora e) Distribución de tensiones y estructura interna La relación entre la velocidad de penetración y la resistencia a la compresión de una roca, está establecida por la siguiente: V =

Donde:

( 3000 x N ) C + 3,60 x D² ( ) 100

V = Velocidad de penetración, en m/min C = Resistencia a la compresión, en kg/cm² N = Potencia de la perforadora, en Kw D = Diámetro del taladro, en mm


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3. PERFORACION CON MARTILLO EN CABEZA 3.3) PERFORACION HIDRAULICA CON TRACKDRILL VELOCIDAD DE PENETRACIÓN POR TIPO DE MARTILLO HIDRÁULICO


C) TRACKDRILLS HIDRAULICOS HIDRAULICOS (con (con Martillo Martillo en Cabeza)

JHON HENRY

RANGER 500

I. R. ECM 590

FURUKAWA


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ROC 748 HC

FURUKAWA ROC 642 HP Mg. Ing. Fredy Ponce R.

C) TRACKDRILLS HIDRAULICOS HIDRAULICOS (con (con Martillo Martillo en Cabeza) Marca: JOHN HENRY

Modelo: sobre Excavadora CATERPILLAR 320 Características Técnicas: • COMPRESOR NOMINAL:

350 cfm y 150 psi • DIAMETRO: 2.50” a 5.00” • MOTOR PRINCIPAL:

CAT 6 cilindros - Turbo • PESO: 23,000 kg


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C) TRACKDRILLS HIDRAULICOS HIDRAULICOS (con (con Martillo Martillo en Cabeza) Marca: SOOSAN

Modelo: SD 760D Características Técnicas: • COMPRESOR NOMINAL:

176 cfm y 150 psi • DIAMETRO: 2.50” a 4.00” • MOTOR PRINCIPAL:

Nissan 6 cilindros 147 HP Turbo • PESO: 11,160 kg


C) TRACKDRILLS HIDRAULICOS HIDRAULICOS (con (con Martillo Martillo en Cabeza) Marca: FURUKAWA

Modelo HCR12-ED Características Técnicas: • COMPRESOR NOMINAL: 350 cfm y 160 psi • DIAMETRO: 2.50” a 5.00” • MOTOR PRINCIPAL:

Diesel ISUZU 6BG1TPJ 165 HP • PESO: 15,700 kg


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C) TRACKDRILLS HIDRAULICOS HIDRAULICOS (con (con Martillo Martillo en Cabeza) Marca: AIR SERVICE

Modelo: Fénix 70 Junior Características Técnicas: Energia de Impacto Freqüência Torque Rotação

.m 3000 bpm .m 0 – 180 RPM

Pressão de Trabalho – .

140 kgf/cm²

2000psi

140 l/min 80 l/min 60 l/min

36,5 GPM 21 GPM 15,5 GPM



65 –

2 ½” – 4 ½”

Vazão Hidráulica – . Vazão Hidráulica – impacto Vazão Hidráulica – rotação Peso Comprime nto Total ( sem punho) Largura Total Altura Total Sopro (limpeza) Punho

Diâmetro de Perfuração

.ft 3000 bpm .ft 0 – 180 RPM



Marca: AIR SERVICE Modelo: Fénix 70 Junior


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3. PERFORACION CON MARTILLO EN CABEZA 3.4) ACCESORIOS DE PERFORACION PARA TRACKDRILL A) DESLIZADERAS Uno de los accesorios que sirven para alojar el elemento de perforación (pistón) y realizar el avance en forma mecani zada es la llamada "deslizadera", la cual va montada en los brazos de los trackdrills y a la que se puede incorporar un conjunto de aparatos automatizados e integrados al panel de control del ope rador. Este sistema es muy utilizado tanto en equipos de superficie como subterráneos debido a su bajo precio, a la facilidad de reparación y a la posibilidad de lograr grandes longitudes de perforación. Algunos inconvenientes de este sistema son los mayores desgastes en ambientes abrasivos, el peligro que representa si se rompe la cadena perforando hacia arriba y la dificultad de conseguir un avance suave cuando las penetraciones son pequeñas.


3. PERFORACION CON MARTILLO EN CABEZA 3.4) ACCESORIOS DE PERFORACION PARA TRACKDRILL A) DESLIZADERAS

a) Deslizaderas de cadena: este sistema de avance está formado por una cadena que se desplaza por dos canales y que es arrastrada por un motor neumático o hidráulico, según el fluido que se utilice en el accionamiento del martillo, a través de un reductor y piñón de ataque. La cadena actúa sobre la cuna del martillo que se desplaza sobre el lado superior de la deslizadera.


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3.4) ACCESORIOS DE PERFORACION PARA TRACKDRILL A) DESLIZADERAS

b) Deslizaderas de tornillo: en estas deslizaderas el avance se produce al girar el tornillo accionado por un motor neumático. Este tornillo es de pequeño diámetro en relaci ón con su longitud y está sujeto a esfuerzos de pandeo y vibraciones durante la perforación. Por esta razón, no son usuales longitudes superiores a los 1,8 m. Las principales ventajas de este sistema son: una fue rza de avance más regular y suave, y gran resistencia al desgaste. Se trata, además, de un sistema menos voluminoso y más seguro que el de cadenas. Sin embargo, los inconvenientes que presentan son: un alto precio, mayor dificultad de reparación y longitudes limitadas.


3.4) ACCESORIOS DE PERFORACION PARA TRACKDRILL A) DESLIZADERAS

c) Deslizaderas hidráulicas: el rápido desarrollo de la hidráulica en la última década ha hecho que este tipo de deslizaderas se utilice incluso en perforadoras neumáticas. El sistema consta de un cilindro hidráulico que desplaza la perforadora a lo largo de una viga soporte. Las deslizaderas hidráulicas presentan las siguientes ventajas: simplicidad y robustez, facilidad de control y precisión, capacidad para perforar grandes profundidades y adaptabilidad a gran variedad de máquinas y longitudes de barrenos. Por el contrario, los problemas que plantean son: mayores precios, la necesidad de contar con un accionamiento hidráulico independiente, se adaptan mejor en las perforadoras rotativas que en las percutivas y presentan más desgastes en el cilindro empujador.


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3. PERFORACION CON MARTILLO EN CABEZA 3.4) ACCESORIOS DE PERFORACION PARA TRACKDRILL B) VARILLAJE DE PERFORACION También denominado “Sarta de Perforación”, “Aceros de Perforación”, “Columna de Perforación” , es uno de los componentes más importantes del equipo de perforación, pues se trata de la estructura que conecta la perforadora con la roca. Este sistema está compuesta de los siguientes elementos: a) Adaptadores de culata b) Manguitos o Acoples c) Barras de extensión d) Brocas e) Tipo de rosca f) Tubos El diámetro del varillaje depende del diámetro y potencia del martillo del equipo de perforación (T38, T45, T51, etc.). Mg. Ing. Fredy Ponce R.

3. PERFORACION CON MARTILLO EN CABEZA B) VARILLAJE DE PERFORACION

a) Adaptadores de culata: corresponden a aquellos elementos que se fijan a las perforadoras para transmitir la energía de impacto, la rotación y el empuje.

b) Manguitos o coplas: son estructuras que sirven para unir las barras hasta conseguir la longitud deseada, asegurando que los extremos estén en contacto para una mejor transmisión de energía.


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c) Barrenos Integrales: son las barras utilizadas cuando se perfora con martillo en cabeza. Estas tienen sección hexagonal o circular y en el caso de emplear perforación manual, generalmente lo que se usa son los barrenos integrales, las cuales tienen unida la barra y la broca, eliminando el empleo de coplas y mejorando la transmisión de energía. Los principales tipos de barras integrales son:  Barrenos tipo cincel: son las más usadas y se caracterizan por su bajo costo y reparación.  Barrenos de insertos múltiples: para rocas blandas y fisuradas.  Barrenos de botones: usadas para rocas poco abrasivas, de fácil penetración.



d) Tubos de Perforación: el uso de perforadoras hidráulicas con martillo en cabeza en perforaciones de gran diámetro (sobre 115 mm) ha llevado a diseñar tubos de perforación específicos que poseen las siguientes ventajas:  Mayor rigidez, lo que permite reducir las desviaciones.  Mejor transmisión de la energía, al no ser necesario el uso de coplas.  Mejor barrido, al existir una mejor transmisión del aire en el espacio anular.

Barras de extensión MF, con acople incorporado de 12 pies de longitud. Mg. Ing. Fredy Ponce R.

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d) Brocas: las brocas (bits) son los elementos que están en contacto directo con la roca que se está perforando. Por esta razón, las características de la roca son importantes de considerar al momento de seleccionar el tipo de broca. Según el tipo de inserto, existen dos tipos de brocas:  Brocas de Pastillas o plaquitas.  Brocas de Botones.



d) Brocas de Botones El diseño de broca y botones se selecciona de acuerdo al tipo de roca. La vida útil de las brocas aparte del tipo de roca, está en función del grado de afilado aplicado en ellas.


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Tabla N° ESTIMACIÓN DE CONTENIDO DE CUARZO SEGÚN TIPO DE ROCA

Tipo de roca


Cuarcita Arenisca cuarzosa Arenisca feldespática Arenisca arcósica Granito Granodiorita Diorita Pegmatita Sienita Filita Caliza Dolomita Arcilla Pizarra Gneiss Gabro Esquisto

SiO (%) 70 - 100 80 - 90 30 - 80 60 - 80 35 - 70 40 - 70 10 - 20 15 - 30 50 - 65 10 - 25 2 - 10 2 - 10 20 - 40 10 - 35 15 - 50 25 - 50 15 - 35


e) Roscas: estos elementos tienen la función de unir las culatas, coplas, barras y brocas, obteniendo un ajuste eficiente entre los elementos de la sarta para lograr una adecuada transmisión de energía. Es importante considerar que un apriete excesivo dificulta el desacoplamiento. El tipo de rosca del varillaje o sarta de perforación utilizado actualmente es del tipo “T” .


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3. PERFORACION CON MARTILLO EN CABEZA 3.5) PERFORACION HIDRAULICA VS. NEUMATICA A) VENTAJAS: La perforación hidráulica supone una superioridad tecnológica en relación con la perforación neumática debido a las siguientes características: 1) Menor consumo de energía: las perforadoras hidráulicas trabajan con fluidos a presiones muy superiores a las accionadas neumáticamente, y además, las caídas de presión son mucho menores. Por lo tanto, la utilización de la energía es más eficiente, siendo necesario sólo 1/3 de energía de la que se consume con los equipos neumáticos. 2) Menor costo de accesorios de perforación: en los martillos hidráulicos la transmisión de energía se efectúa por medio de pistones más alargados y de menor diámetro que los de los martillos neumáticos.


3. PERFORACION CON MARTILLO EN CABEZA 3.5) PERFORACION HIDRAULICA VS. NEUMATICA A) VENTAJAS: La fatiga generada en las barras depende de la sección y del tamaño del pistón. La forma de la onda de choque es mucho más uniforme en los martillos hidráulicos que en lo s neumáticos, donde se producen niveles de tensión muy elevados que son el origen de la fatiga sobre el acero y de una serie de ondas secundarias de bajo contenido energético. En la práctica, se ha comprobado que la vida

útil de la sarta se incrementa en 20% para perforadoras hidráulicas. 3) Mayor capacidad de perforación: debido a la mejor transmisión de energía de la onda, las velocidades de penetración de las perforadoras hidráulicas son entre 50% y 100% mayores que en los equipos neumáticos.


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3. PERFORACION CON MARTILLO EN CABEZA 3.5) PERFORACION HIDRAULICA VS. NEUMATICA A) VENTAJAS:

4) Mejores condiciones ambientales: los niveles de ruido en una perforadora hidráulica son sensiblemente menores a los generados por una neumática debido a la ausencia del escape de aire. Además, la tecnología de la perforadora hidráulica ha logrado el desarrollo de mejores diseños de equipos, haciendo que las condiciones generales de trabajo y seguridad sean mucho más favorables. 5) Mayor elasticidad de la operación: en la perforadora hidráulica es posible variar la presión de accionamiento del sistema, la energía por golpe y la frecuencia de percusión. 6) Mayor facilidad para la automatización: estos equipos son mucho más aptos para la automatización de operaciones, tales como el cambio de varillaje y mecanismos antiatranque, entre otros. Mg. Ing. Fredy Ponce R.

3. PERFORACION CON MARTILLO EN CABEZA 3.5) PERFORACION HIDRAULICA VS. NEUMATICA B) DESVENTAJAS: Por el contrario, los inconvenientes que presentan son: 1) Mayor inversión inicial, debido a todos los componentes asociados a la perforadora, a su sistema de avance automático y a las características de las fuentes de ene rgía que utiliza (energía eléctrica e hidráulica). 2) Reparaciones más complejas y costosas, que en las perforadoras neumáticas, requiriéndose una mejor organización y formación de personal de mantenimiento.


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4. PERFORACION CON MARTILLO EN EL FONDO (DTH) 4.1) CARACTERISTICAS PRINCIPALES a) El martillo se sitúa en el fondo de la perforación. b) La percusión se realiza directamente sobre la broca y la rotación se efectúa fuera del taladro, y puede ser accionado neumática o hidráulicamente. c) La relación carrera / diámetro es de: 1.6 - 2.5 en diámetros pequeños, ≥ 1.0 en diámetros grandes d) Aplicable para todo tipo de roca y dureza e) Requiere aire a alta presión ( ≥ 250 PSI) f) El diámetro limitado de 3½” - 6” (89 - 152 mm.) g) La profundidad no es un factor limitante


4. PERFORACION CON MARTILLO EN EL FONDO (DTH) 4.1) CARACTERISTICAS PRINCIPALES MARTILLO EN EL FONDO (D.T.H.) Los martillos que poseen estos equipos fueron desarrollados por Stenuick en 1951, y desde entonces se han venido utilizando tanto en minas a cielo abierto como en minas subterráneas asociadas al uso de métodos de explotación de taladros largos (L.B.H.) y V.C.R. Actualmente, en el caso de obras de superficie, este método de perforación está indicado para rocas duras y diámetros superiores a los 150 mm.


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4. PERFORACION CON MARTILLO EN EL FONDO (DTH) 4.2) MECANISMOS DE PERCUSION YY ROTACION EN EN MARTILLOS DE FONDO • La percusión y rotación son separados • Los DHD se pueden usar en track drills o perforadoras rotarias

TRACK DRILL

PERFORADORA ROTARIA


4. PERFORACION CON MARTILLO EN EL FONDO (DTH) 4.2) MECANISMOS DE PERCUSION YY ROTACION EN EN MARTILLOS DE FONDO

a) La rotación a velocidad variable viene transmitida de un cabezal rotatorio, normalmente accionado por un motor hidráulico, a través de los tubos de perforación. b) El elemento de percusión se encuentra en el fondo del barreno

c) El barrido se efectúa por el escape del aire del martillo a través de los orificios en la broca.


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4. PERFORACION CON MARTILLO EN EL FONDO (DTH) 4.3) PRINCIPIOS DE FUNCIONAMIENTO DE UN MARTILLO DTH • El DHD se encuentra al final de la columna, inmediatamente sobre la broca • El pistón del DHD, accionado por aire descarga la energía directamente en la broca. • La energía no se disipa a lo largo de la columna.


MARTILLO DE FONDO TIPICO (DHD)


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4. PERFORACION CON MARTILLO EN EL FONDO (DTH)

4.4) CARACTERISTICAS PROMEDIOS DE MARTILLOS DTH Diámetros recomendados en función al diámetro de perforación Características

Und

Dimensiones

Diámetro de perforación

mm

100

125

150

200

300

Diámetro del pistón

mm

75

91

108

148

216

Carrera del pistón

mm

100

102

102

100

100

Peso del martillo

Kg

38.5

68.5

106

177

624

Consumo de aire, a 1 Mpa

m³/min

1.33

1.37

1.39

1.35

1.39

Consumo relativo de aire por cada cm. de diámetro

m³/min

0.47

0.54

0.67

0.86

0.94



4.5) CUANDO SE USA UN MARTILLO MARTILLO DE FONDO a) b) c) d) e)

Taladros en diámetros de 4” a 8.5”. Profundidades mayores a 10 metros. Demanda de taladros rectos sin desviación. Buen acabado del pozo o taladro. Se aplica especialmente en terreno fracturado y semiquebrantado. f) Se requiere una alta disponibilidad y utilización. g) Reducción en el nivel de ruido de perforación.


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4.6) APLICACIÓN EN MINADO DE SUPERFICIE • Taladros de pre-corte para estabilización de paredes de bancos. • Taladros largos para limite final • Perforación secundaria • Instalación de pernos de anclaje para estabilización de taludes debilitados


4.6) APLICACIÓN EN MINADO DE SUPERFICIE

• Taladros de pre-corte para estabilizacion de paredes de bancos. • Taldros largos para limite final • Taladros de pre corte para bancos más altos (30 mts) • Posibilidades para canteras de cemento (Perforacion en Caliza)


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4.6) APLICACIÓN EN MINADO DE SUPERFICIE • Taladros pre-corte para estabilizacion estabilizacion de paredes de bancos • Mayoria de operaciones la usan hoy para prevenir prevenir colapsos, debido a la sobre rotura. • El problema actual es el rendimiento en altitud. Afecta mayormente, operaciones sobre los 3,000 metros s.n.m.



4.7) VENT VENTAJA VENTAJAS AJAS S DE MARTILLOS MARTILLOS MARTIL LOS EN EL FONDO FONDO (DTH) (DTH) a) Mayor Mayor velocidad velocidad de penetración en rocas semi-duras semi-duras y duras b) Más eficiente eficiente en terrenos terrenos quebradizos quebradizos y duros c) La velocidad velocidad de perforación es prácticame prácticamente nte constante constante a medida que aumenta la profundidad del barreno. d) Menor Menores es desviacione desviaciones s de los barrenos. barrenos. e) Mejor vida vida de los accesorio accesorios s de perforación. perforación. f) Se puede puede usar usar perforadoras perforadoras mas pequeñas pequeñas para mismos mismos diámetros de barrenos en comparación con perforación rotaria. g) Operac Operación ión más silenc silenciosa iosa h) Menor torque torque y mínimo mínimo peso en la broca broca requerido requerido i) Par Parede edes s del del taladr taladro o más est establ ables es j) Velocidad de rotación mas baja k) Perfora Perforación ción más más eficiente, eficiente, ya que el aire que acciona acciona el pistón, pistón, se usa para limpiar el barreno Mg. Ing. Fredy Ponce R.

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4.8) PERFORACION CON MARTILLO EN FONDO (DTH) VS. MARTILLO EN CABEZA (Top (Top Hammer Hammer ammer)) VENTAJAS:: VENTAJAS La perforación con martillo en fondo presenta las siguientes ventajas en relación con la utilización del martillo en cabeza: 1) La velocidad velocidad de penetración penetración se mantiene prácticame prácticamente nte constante a medida que aumenta la profundidad de la perforación. 2) Los desgastes desgastes de las brocas brocas son menores menores que con martillo martillo en cabeza, debido a que el aire de accionamiento que q ue pasa a través de la broca limpiando la superficie del fondo asciende eficazmente por el pequeño espacio anular que queda entre la tubería y la pared del pozo. 3) La vida útil útil de las barras barras es más larga larga en relación relación con las utilizadas con martillo en cabeza.


4.8) PERFORACION CON MARTILLO EN FONDO (DTH) VS. MARTILLO EN CABEZA (Top (Top Hammer Hammer ammer)) VENTAJAS:: VENTAJAS 4) Las desviacio desviaciones nes de los barrenos son son muy pequeñas, pequeñas, por lo que son apropiados para perforaciones de gran longitud. 5) La menor energía energía por impacto y la alta frecuencia frecuencia favorec favorece e perforar en terreno descompuesto. 6) Es preciso preciso menor PAR PAR y RPM que otros otros métodos. métodos. 7) El costo por metro metro lineal (US$/m-p) (US$/m-p) en diámetros diámetros grandes y rocas muy duras es menor que con perforación rotativa. 8) El consumo consumo de aire es más bajo que con martillo martillo en cabeza cabeza neumático. 9) El nivel nivel de ruido en la zona de trabajo es inferior inferior al estar estar el martillo dentro de la perforación.


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4.8) PERFORACION CON MARTILLO EN FONDO (DTH) VS. MARTILLO EN CABEZA (Top (Top Hammer Hammer ammer)) DESVENTAJAS:: DESVENTAJAS El martillo en fondo presenta ciertos inconvenientes respecto del martillo en cabeza, los que se señalan a continuación: 1) Baja velo velocidad cidad de penetra penetración. ción. 2) Cada martillo martillo está está diseñado diseñado para una gama pequeña de diámetros muy estrecha, que oscila entre 120 y 200 mm. 3) El diámetro diámetro más pequeño está limitado limitado por las dimensiones dimensiones del martillo con un rendimiento aceptable, que en la actualidad es de unos 76 mm. 4) Exi Existe ste un riesgo de pérdida pérdida del martillo martillo dentro de los barrenos barrenos por desprendimientos de roca. 5) Se precisan precisan compresores compresores de alta presión presión con elevados consumos energéticos.


5. PERFORACIÓN ROTARIA 5.1) CARA CARACTERISTICAS CTERISTICAS PRINCIPA PRINCIPALES LES • Métod Método o de perforación perforación de gran peso y capacidad, capacidad, desarrollado posteriormente al método rotopercusivo. • En este método de perforación no existe la percusión . • La penetración penetración en la roca ocurre ocurre debido a la combinación combinación de 3 acciones: a) Av Avanc ance e (empuje (empuje)) b) Ro Rota taci ción ón c) Bar arri rido do


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5. PERFORACIÓN ROTARIA 5.2) PRINCIPIOS DE FUNCIONAMIENTO • La perforación se hace triturando la roca, sin impacto. • La fuerza de avance es muy alta para poder vencer la resistencia de la roca. • Los torques requeridos, también son muy elevados debido al alto empuje • En las perforadoras para voladuras debido a la baja profundidad requerida, se requiere de alta fuerza de empuje y menor fuerza de levante • En estas maquinas el barrido normalmente se hace con aire.


5. PERFORACIÓN ROTARIA MECANISMO DE ROTACIÓN EN PERFORADORAS ROTARIAS

• Rotación solamente - no percusión (solo que incluya DHD ) • Gira la columna y la broca • La velocidad de rotación es variable para acomodar las condiciones de barrenación


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ROTACIÓN 





Gira los conos alrededor del fondo del barreno para que los dientes hagan contacto con la roca El movimiento angular de los dientes causa una acción de palanca además del empuje, rompimiento y desplazamiento de los recortes El alineamiento de los conos agrega una acción de canal al girar los dientes

cabeza

cono


5. PERFORACIÓN ROTARIA 5.3) ELEMENTOS PARA UNA ÓPTIMA PERFORACIÓN ROTATIVA 1) Diámetro del Taladro - Seleccionar el diámetro de broca que da el mejor producto final. - Encuentre el Burden, espaciamiento y la altura del Banco. - Obtenga la mejor fuerza x distribución. - Mejore la Fragmentación

2) Diámetro de la Broca y el Tubo 3) Use el Tubo más largo posible para el hoyo deseado - Minimice la desviación del Hoyo - Maximice la capacidad de Barrido - Mejore la vida útil de la Barra

4) Capacidad del Comprensor - Seleccione la capacidad del comprensor para lograr un óptimo barrido. Mg. Ing. Fredy Ponce R.

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5. PERFORACIÓN ROTARIA 5.4) FACTORES PRINCIPALES EN EL RENDIMIENTO DE LA PERFORACIÓN ROTATIVA 1) 2) 3) 4) 5)

Resistencia de comprensión de la roca. Optimizar la velocidad de barrido. Optimización del peso (empuje) sobre la Broca. Optimización de la rotación (RPM). Competencia del operador.


CARACTERISTICAS DE PERFORACION ROTATIVA: • Altos Ratios de Penetración se logra con:  Alta velocidad rotación (RPM), y  Optimo peso sobre la broca • El requerimiento de fuerza se incrementa con:  C: resistencia de compresión de la Roca  Peso sobre la broca  R: velocidad de rotación broca (RPM) • Perforadoras Rotativas con más alto ratios de Penetración serán las MAS PRODUCTIVAS.


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5.5) PERFORACION ROTATIVA – – ULTIMOS AVANCES ANTECEDENTES - SITUACIÓN ANTERIOR A 1990 • Perforadoras accionadas eléctricamente en mayor proporción • Provistas de compresoras de reducida capacidad • Velocidades de perforación reducidas • Baja vida de accesorios • Alto costo por Tonelada • No superaban las 5,000 horas de trabajo / Año • Tiempos de posicionamiento y adición de barras superiores en 30% a los actuales


ANTECEDENTES - SITUACIÓN POSTERIOR A 1990 -

Aparición de Equipos a diesel de mas de 120,000 lbs de empuje Gran flexibilidad de operación Se reduce costos en promedio de 25% Se incrementa vida de accesorios Equipos eléctricos se concentran en diámetros superiores a 12 1/4” Se incorporan sistemas de automatización y navegación GPS Record de operación anual de mas de 6,000 horas/año Velocidad de perforación se incremento en 35% en promedio respecto a los obtenidos antes de 1,990


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OBJETIVOS DEL NUEVO DISEÑO

• Reducción del costo por metro perforado x mayor velocidad de perforacion • Incremento de la disponibilidad • Mayor utilización • Reduccion de tiempos no productivos • Mayor flexibilidad para la operación • Uso de sistemas de informacion para optimizar perforacion y voladura • Futura automatizacion de la perforación Mg. Ing. Fredy Ponce R.

PERFORADORAS ROTATIVAS PARA MINERÍA

DML DM45/50

PV 271 PV 275

DM-M3

PV 351 125,000 Lb Hasta 16” 375,000 Lb

DM30 DM25SP 25,000 Lb Desde 6” 65,000 Lb

Nueva Generacion PV = Pit Viper Series


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OBJETIVO DE LAS NUEVAS PERFORADORAS: REDUCIR EL COSTO POR METRO FORMULA DE COSTO DE PERFORACION TOTAL (CPT)

B Mhr CPT = ----- + -----VB VeP Donde : CPT B VB Mhr

: : : :

Costo de perforacion total (US$) Costo de la Broca (US$) Vida útil de la broca (metros ó pies) Costo total Máquina por hora (Costo de propiedad + Costo de Operación) VeP : Velocidad de perforacion (mts/hr ó pies/hora)


REDUCCION DE TIEMPOS PRODUCTIVOS MAYOR VELOCIDAD DE PERFORACION TOTAL


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AVANCES TECNOLOGICOS EN BROCAS 

Brocas PCD (Polycristalline Diamond Compact) - Diseñadas para rocas duras y abrasivas - Incrementan velocidad de perforacion instantanea - Son de mayor costo que las del tipo tricono con insertos de carburo de Tungsteno - Estan en su fase de introduccion y variacion de diseños iniciales.


COMPRESOR INGERSOLL-RAND • 2000 a 3800 PCM - Mayor capacidad disponible en una perforadora

• 110 PSI (758 kPa) - Mayor presión para mejorar la vida de las brocas

• Control de volumen variable • Bombas de lubricación - Reducen la carga durante el arranque


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6. PERFORACION ROTOPERCUSIVA VS. ROTATIVA VENTAJAS:: VENTAJAS Las principales ventajas de este m�todo de perforaci�n, en comparaci�n al m�todo rotativo, son: a) Es aplicable a todos los tipos de roca, desde blandas hasta duras. b) Permite una amplia gama de di�metros de perforaci�n (desde 1" hasta 8"). c) En el caso de perforaci�n mecanizada, los equipos tienen gran movilidad (puede ser montada la perforadora en camiones sobre ruedas). d) Requiere de una persona para operar la perforadora.


7. SISTEMA DE PERFORACION DE ROCAS UTILIZADO EN MINERIA SUPERFICIAL Para los trabajos de perforación de rocas en minería superficial se utiliza el siguiente sistema de perforación: a) Sistema de Energía b) Método de Perforación c) Ubicación del Martillo d) Energía para accionar Martillo e) Tipo de Maquinaria Manual • Rango del diámetro de perforación f) Tipo de Maquinaria Mecanizada • Rango del diámetro de perforación

Mecánica Rotopercusivo o Rotativo Martillo en Cabeza o Martillo en Fondo Neumática o Hidráulica Jack Hammer 38 mm Trackdrill 2” a 5” ø


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Tecnicas en Perforacion de Rocas en Mineria Superficial

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