Dimensionamiento de Equipo Minero Alamiro Bautista Altamirano

UNIVERSIDAD ALAS PERUANAS-CHOTA

DIMENSIONAMIENTO DE EQUIPO MINERO EN MINERÍA SUPERFICIAL PERFORADORAS En minería se entiende como la acción o acto que, a través de medios mecánicos, tiene como finalidad construir un agujero o taladro. Para que esto se logre debe extraerse todo el material destruido dentro del agujero mediante la utilización de aire comprimido o agua. En este punto es donde se produce la diferencia entre lo que es la perforación de exploración y la de producción.

Tipos de Perforadoras: Martillo (Cabeza, fondo), Rotativo Ticónico, etc. DIMENSIONAMIENTO DE FLOTA PERFORACIÓN PERFORACIÓN OBJETVOS: 

Comprender a grandes rasgos rasgos como se dimensiona una flota flota de equipos de perforación para una mina a cielo abierto.



Comprender como influyen las capacidades, disponibilidades, rendimientos rendimientos en el número de equipos a utilizar.

1 Presentado por: BAUTISTA ALTAMIRANO Alamiro


Descripción General del Equipo

VARIABLES DE PERFORACIÓN Las variables internas que intervienen en la perforación son: 

Empuje sobre la broca.



Velocidad de rotación.



Desgaste de la broca.



Diámetro del taladro.



Caudal de aire para la evacuación del detritus.

Las variables externas son las siguientes: 

Características Características resistentes de la formación rocosa.



Eficiencia del operador.

CRITERIO DE SELECCIÓN DE PERFORADORAS Tamaño de la operación (Producción). Altura de banco. Fracturabilidad y Dureza de la roca (Desgaste de Broca). Densidad del material.



Relación de estéril a mineral en el programa de remoción de materiales. Metraje de perforación requerido, por día, por mes, por año.

COSTO DE PERFORACIÓN CT=CA+CI+CM+CO+CE+CL

Costos Indirectos CA: amortización. Cl: intereses y seguros.

Costos Directos CM: mantenimiento. CO: mano de obra. CE: energía. CL: engrase y lubricación CB: broca, estabilizador y barra.

PARÁMETROS Tonelaje por Taladro (ton) Tt= B*E*H*dens Tonelaje por Metro Barrenado (ton/mb) Tmb= Tt/(H+P) Metros Barrenados Requeridos por día (mb/día) MBD = TPD / Tmb Rendimiento Equipo de Perforación (mb/día) R = VPteo*DF*UT*FO*24*f(roca) Número de Equipos Necesarios N = MBD/R



PROBLEMA Una mina a cielo abierto debe mover diariamente un total de 400000 ton de material (mineral y estéril) desde el tajo. Se pide dimensionar los equipos necesarios (perforadoras) considerando los siguientes parámetros: Se trabajan dos turnos por día de 9 horas cada uno. Perforadoras: burden 10m, espaciamiento 9.5m, altura de banco 15m, velocidad de perforación 60m/h, disponibilidad 85%.

SOLUCIÓN. La perforación debe llevarse adelantada al proceso de carguío para que estos tengan cierta holgura e independencia, es por esto que los rendimientos de las perforadoras deben calcularse en unidades mensuales y no diarias. Para estimar el número necesario de perforadoras debe considerarse: Cada taladro de voladura remueve un total de 10*9.5*15*2.7 = 3848 ton. Se perforan 17 metros por taladro => 226 ton/m perforado. 400000 tpd *30 d/mes => 12000000 ton/mes (requerimiento de tonelaje mensual). 226 ton/m, 12000000 ton/mes => 12000000/226 = 53097 m/mes (necesidad de perforación). 60 m/h *9 h/turno * 2 turnos/d * Disponibilidad 85 %* 30 d/mes => 27540 m/mes (rendimiento de perforación). 53097 m/mes, 27540 m/mes (cada perforadora) => 53097/27540 = 1.9~2 perforadoras.

CARGADOR FRONTAL Los cargadores frontales son equipos capacitados para realizar labores descarga de camiones, vagones o tolvas; carga y transporte para distancias cortas, ya sea a un chancador o al stockpile, y constituye una máquina auxiliar y/o de empuje en labores de limpieza o preparación de rampas.

COMPONENTES: 

Chasis. 

Trasero y Delantero.



Cabina.



Cuchara.



Neumáticos 

Lonas Sesgadas.


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Radiales.



Beadless.



Sistema de Transmisión.



Sistema Hidráulico.

DATOS SOBRE SU USO. 

Mediana y gran minería.



Acarreo mínimo.



Alternativa a las palas.



Son equipos que operan sobre neumáticos y son Diesel por lo que tienen autonomía y buen rendimiento.



Movilidad alta.



Manejan grandes volúmenes.



Requiere maniobra durante la carga (no sólo rotación).



Acarreo debe ser mínimo para optimizar el proceso.



Menor productividad que una pala.

COSTOS SISTEMA CARGADOR FRONTAL 

Costo mano de obra.



Costos operación







Consumo combustible.



Consumo de insumos (cuchara, neumáticos).

Costos adquisición. 

Equipo.



Vida útil

Costos mantención y reparación. 

Mantenciones menores.



Mantenciones mayores



Costo operación Total = costo operación + costo mantención y reparación + costo mano de obra.

CÁLCULOS DE PRODUCCIÓN En función de la capacidad de la máquina. Producción Teórica (hr) =Capacidad Máquina m3/ Ciclo * Número de Ciclos / h. Producción Real (hr) =Capacidad Máquina m3/ciclo * Números de Ciclos / h * Factores de Corrección. 

Factor de Llenado.



Eficiencias.



Disponibilidad Mecánica.



Otros factores.

EJEMPLOS DE FACTOR DE LLENADO

A-100 B-95

–110% –110%

Arcilla Arena

Húmeda. y

Grava.

C-80 –90% Arcilla dura e compactada. 60 –75% Roca bien fragmentada por voladura y

material

de

río.

40 –50% Roca mal fragmentada por voladura



CARACTERÍSTICAS DE LOS MATERIALES Factores de llenado de acuerdo al tamaño de los materiales para cargadores de ruedas. MATERIALES SUELTOS

% F. LL.

AGREGADOS HUMEDOS MEZCLADOS AG. HUMEDOS UNIF. HASTA 3mm(1/8") AG. 3 @ 9mm. (1/8 @ 3/8 ") AG. 12 @ 20 mm ( 1/2 @ 3/4 " ) AG. 24 mm (1") y mas grandes

95-100 95-100 90-95 85-90 85-90

ROCA DE VOLADURA BIEN FRAGMENTADA FRAGMENTACION MEDIANA MAL FRAGMENTADA

80-95% 75-90% 60-75%

VARIOS MEZCLA DE TIERRA Y ROCAS LIMO HUMEDO SUELO,PIEDRA Y RAICES MATERIALES CEMENTADOS

<100% <110% 80-100 85-90

EJEMPLO: Un cargador Cat 994D esta equipado con un cucharón de 20m3. Esta cargado con roca bien Fragmentada con d=1540kg/m3. ¿Cuál es el Factor de Llenado del cucharón (FLL) y cual será el peso en el cucharón? Respuesta: FLL = 80-95% Carga = 20 m3 X .87 BFF = 17.4m3 Peso =17.4m3s x 1540 kg/m3 = 26796 kg.

DIMENSIONAMIENTO DE FLOTA CARGUÍO. Ejem. Una mina a cielo abierto debe mover diariamente un total de 120000 ton de material (mineral y estéril) desde el tajo. Se pide dimensionar los equipos necesarios (carguío) considerando los siguientes parámetros: Se trabajan dos turnos por día de 9 horas cada uno. Uso de cargador Frontal. Ciclo =1min. Densidad de material =2.7ton/m3. Volumen de cuchara =25m3. UT (%)=82.



DF (%)=87. FO (%)=85. Factor de roca =1.2.

SOLUCIÓN: 

Tonelaje x Pase = (Vol. De cuchara*De. Del Material*F. de llenado) / (F. esponjamiento).

=(25m3*2.7ton/m3*80/100)/(1+30/100) =41.5ton/pase. 

Rendimiento x día = (Ton x pase*UT*DF*FO*Nº de Pases*Factor de Roca)

=41.5*0.82*0.87*0.85*1080*1.2 =27178.4ton/día 

Nº de Cargadores (teórico) = Req. X día/Rend .x día

=120000ton/27178 =4.4+1=5.4Cargadores 

Nº de Cargadores (Real) = 6 Cargadores.

CARGADORES MODELO: 988H

MODELO: 990H

CAPACIDADES DE LOS CUCHARONES

capacidades de los cucharones



6,3 m³ -7,0 m³ (8,2 -9,2 yd³)

8,4-9,2 m³ (11-12 yd³)

MODELO: 994D

CAPACIDADES DE LOS CUCHARONES 15-31 m³ ( 19.5-41yd3)

EQUIPOS DE CARGUÍO PALAS EXCAVADORAS Y CARGADORAS Son máquinas compuestas de un bastidor montado sobre orugas o neumáticos y una superestructura giratoria dotada de un brazo con cuchara, accionado por mando hidráulico o por cables. Se utilizan

para excavar en frentes de trabajo de cierta altura y realizan los

movimientos siguientes: 

Excavación de abajo hacia arriba.



Giro horizontal y descarga de la cuchara.



Giro horizontal de regreso al frente de trabajo.



SELECCIÓN DE LAS EXCAVADORAS POR EL COSTO 

Cuando se relaciona el costo, se debe estimar el costo por metro cúbico manipulado por la excavadora.



En este cálculo hay que considerar aspectos como la dimensión del trabajo. Si éste involucra la manipulación de grandes cantidades de material, puede justificarse el uso de una excavadora de gran dimensión.



Otro aspecto es el transporte del equipo a la obra, puesto que los costos de movilización y desmovilización pueden ser mayores cuanto más grande sea el equipo.

POR LAS CONDICIONES DE TRABAJO 

Las excavadoras tienen la posibilidad de combinar un rango de capacidades de cucharones para un mismo modelo.



La selección de la capacidad del cucharón depende de la facilidad con que se puede manipular el material.



Si se tiene roca bien fragmentada o material fácilmente excavable, los cucharones pequeños podrán manipular el material y no necesitarán ejercer mucha fuerza para excavar el material.

PALA DE CABLE Las palas de cable son equipos de gran envergadura, que alcanzan elevadas producciones, con costos unitarios bajos y una alta disponibilidad mecánica.

Características Mediana y gran minería. Bajo costo de operación. Grandes volúmenes de producción. Alta inversión. Equipos críticos en la producción. Baja movilidad.



ESTRUCTURA DE OPERACIÓN 

Mecanismo de elevación: trabaja mediante el cable de elevación, que se enrolla en su correspondiente tambor.



Mecanismo de empuje / retroceso: se realiza por medio de un mecanismo piñón y cremallera instalado en la pluma o también mediante cables y un tambor montados en la superestructura, todos accionados por motores eléctricos.



La descarga: se realiza una vez que la superestructura ha girado hasta situarse sobre la unidad de transporte (camión). En ese momento, un motor eléctrico ubicado en la pluma acciona, mediante un cable, el cerrojo de la compuerta para descargar el material.

FUNCIONAMIENTO



PALAS DE CABLE



SERIE 182 M 

Capacidad de carga de 18 toneladas métricas (20 ton).



El cucharón varía de 7 a 18 m3 (de 9 a 23 yd3).



Camiones de transporte de 55 toneladas métricas (60 ton), de carga en tres pasos.



Camiones de transporte de 91 toneladas métricas (100 ton), de carga en cinco pasos.



Empuje de cremallera y piñón de doble palanca con embrague neumático ajustable para proteger contra cargas de impacto excesivo

SERIE 795



Capacidad de carga 122.5 toneladas métricas (135 ton).






Camiones de transporte de 454 toneladas métricas (500 ton) de carga en cuatro pasos.



SERIE 395



Capacidad de carga de 63.5 toneladas métricas (70 ton).



El cucharón varía de 19.1 a 56 m3 (de 25 a 73 yd3).






Camiones de transporte de 220-245 toneladas métricas (240-270 ton) de carga en cuatro pasos.



Espacio aislado de control eléctrico para el sistema de accionamiento AC-IGBT



Cuerda de avance

SERIE 295 HR



Capacidad de carga de 45 toneladas métricas (50 ton).



El cucharón varía de 18.4 a 39 m3 (de 24 a 51 yd3).






Camiones de transporte de 181 toneladas métricas (200 ton), de carga en cuatro pasos.



Cuerda de avance con geometría optimizada en el extremo frontal



SERIE 295 HD



Capacidad de carga útil de 38 toneladas métricas (42 ton).



El cucharón varía de 14 a 31 m3 (de 18 a 40 yd3).






Camiones de transporte de 154 toneladas métricas (170 ton), de carga en cuatro pasos.



Empuje de cremallera y piñón con mango de diseño sencillo de caja profunda con respaldo integral del cucharón.

PALAS HIDRÁULICAS Existen dos tipos de palas hidráulicas: las palas frontales y las retros. La diferencia entre éstas se refiere al sentido de movimiento de los baldes y a la geometría de los equipos, distinguiéndose, por lo tanto, en la acción de carga.



Mayor movilidad.



Menor inversión que pala eléctrica.



Costo operacional levemente mayor.



Baldes hasta 30 yd3.



Cuchara frontal o inversa.



EQUIPO DE TRABAJO El equipo de trabajo está constituido por diferentes elementos, dependiendo de la forma de descarga si es frontal o de retroexcavadora: 

En sistemas frontales: El equipo de trabajo lo constituye la pluma y el brazo con el balde en su extremo. La fuerza de penetración se consigue mediante uno o dos cilindros hidráulicos del brazo, y la fuerza de excavación por medio de otros dos cilindros en el balde. El movimiento vertical se realiza gracias al accionamiento hidráulico de la pluma.



En sistema de retroexcavadora: El equipo de trabajo lo compone la pluma, el brazo y el balde, articulados entre sí y accionados mediante sistemas hidráulicos.

CURVAS DE EXTRACCIÓN RETRO Y FRONTAL

MODELO PC 1800-6



Gran poder de excavación.



Hidráulicas rápidas.



Gran capacidad para combustible, 2750 litros.



PC 3000

PC 4000

PC 8000


PC 5500


PRODUCTIVIDAD 1º CPB = CCB * Fc Donde : CPB: Capacidad Promedio del Balde (m3) CCB: Capacidad Colmada del Balde (m3) Fc: Factor de carga (%)

2º Pn = CPB * Tc Donde: Pn: Productividad Nominal (m3/hr) Tc: Tiempo de Ciclo (hr).

Pr = Pn * Fe Donde: Pr: Productividad Real (m3/hr) Fe: Factor de Eficiencia (%)

CÁLCULO DE LA PRODUCCIÓN Pexacavadora = (Vcucharon/ Tciclo)* E * fca*fv Donde:



E=eficiencia fca= ángulo y altura de corte fv= ángulo de volumen.

VOLUMEN DE CUCHARON El volumen del cucharón se considera la capacidad colmada, afectada por los factores de llenado.

Vcucharon=vcolmado * fllenado La capacidad colmada se estima a partir de la información del fabricante, que asume un acomodo del material con una loma en la parte central y una pendiente hacia los lados.

EL RENDIMIENTO DE LAS PALAS

Vc: Capacidad de la cuchara en m3. Fe: Factor de eficacia de la máquina, entre 70 y 80%. Fe´: Factor de eficacia de la cuchara, que depende de la clase de terreno: Terreno flojo………. 90-100% Terreno medio……. 80 -90% Terreno duro………. 50-80%

Ct: Coeficiente de transformación. Para transformar el material esponjado que contiene la cuchara de la máquina, en material en su estado natural, medido sobre perfil. Tc: Tiempo de duración del ciclo en segundos. Comprende la excavación el giro hasta la descarga, la descarga y el giro hasta origen. El tiempo del ciclo, con rotación de 90º es: Terreno flojo………. 15-20 seg. Terreno medio……. 20 -25 seg. Terreno duro………. 25-30 seg.



DIMENSIONAMIENTO INDICES OPERACIONALES



Tiempo Cronológico Horas Inhábiles (HI). Horas Hábiles (HH). 

Horas Mantención (HMT).



Horas Reserva (HRE).



Horas Operación (HOP). Horas Operacionales Efectivas (HEF). Horas de Perdida Operacional (HPE)

INDICADORES MECÁNICOS Disponibilidad Física DF = (HOP+HRE)/HH

Índice de Utilización UT = HOP/(HOP+HRE)

Factor Operacional FO = HEF/HOP Rendimiento Efectivo Ref= Rteo*UT*DF*FO.

TONELAJE POR PALADA (TON/PALADA) Cp = Vbalde*Fllenado*dens/(1 + %esponjamiento)

RENDIMIENTO EQUIPO DE CARGUÍO (TON/DÍA) R = Cp*DF*UT*FO*24*f(roca)/TCcarguío

NÚMERO DE EQUIPOS DE CARGUÍO N = TPD/R



PROBLEMA Una mina a cielo abierto debe mover diariamente un total de 400000 t de material (mineral y estéril) desde el Tajo. Se pide dimensionar los equipos necesarios (palas, camiones y perforadoras) considerando los siguientes parámetros: Se trabajan dos turnos por día de 10 horas cada uno. Palas mecánicas: capacidad del balde de 44yd3, factor de llenado de 90%, densidad del material 2.7t/m3, disponibilidad 90%, utilización 95%, tiempo por baldada 1min.

SOLUCION Primeramente se debe estimar el rendimiento de la pala de cables en toneladas por día, suponiendo que siempre tiene material para cargar (lo que depende de la perforación y voladura) y camión para recibir. Para lo que se debe considerar lo siguiente: 

44yd3 = 33.6m3. Densidad 2.7t/m3 => 90.8t. Llenado 90% => 81.7 t/balde.



Tiempo por baldada 1min => 4903 t/h.



10 horas trabajadas por turno => 49030tpt.



2 turnos por día. Utilización 95% => 83841 tpd(corresponde al rendimiento efectivo del equipo).



Si necesito mover 400000tpd y cada pala mueve 83841tpd calculo el número de palas requeridas como: 400000/83841=4.7 ~ 5 palas de 44 yd3.

CAMIÓN Un camión es un vehículo motorizado para el transporte de bienes. Hay camiones de muchos tamaños y de todo tipo, desde camiones pequeños hasta los trenes de carretera, pasando por los camiones todo terreno de 200 toneladas usados en minería. Los camiones se han ido especializando y tomando una serie de características propias del trabajo a realizar. En una evolución de una simple caja a la forma más adecuada a la materia a transportar; peligrosas, líquidas, refrigeradas, en continuo movimiento que impida el fraguado, abiertos, cerrados, con grúa etc.

CAMIÓN VOLQUETE Vehículo más robusto y reforzado para el movimiento de grandes volúmenes de áridos, y rocas, habitualmente denominado dumper en inglés, provisto de una caja basculante para verter la carga de forma rápida.



Camión 785C

dumper

Camión 793C

Camión 793C XQ

793D

CAT AD45B

FACTORES QUE AFECTAN LA PRODUCTIVIDAD Y COSTO Relación entre la capacidad del equipo de carguío con la capacidad del camión. El tamaño de la caja del volquete no debe ser ni muy pequeño, ni débil, en comparación con el tamaño del cucharón de la máquina de carga para no destrozarla en poco tiempo o viceversa.

Pendiente (Declive). La disminución de la productividad del camión se reduce en promedio en 0.5% por cada aumento en 1% de la pendiente de la rampa principal. Los planificadores deben analizar alternativas de diseño teniendo en cuenta los efectos directos que significa un aumento o bien una disminución en la pendiente de una rampa.

OTROS FACTORES Condiciones de trabajo de la obra en cuestión: 

Naturaleza, disposición y grado de humedad del terreno.



Accesos (pendiente, estado del firme).



Climatología (visibilidad, pluviometría, heladas).


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Altitud.

Equilibrio entre el tamaño de los volquetes y los equipos de carga El número de baldes de material que debe de depositar el equipo de carga sobre la unidad de transporte debe estar comprendido entre 3-6. Esta relación de acoplamiento queda justificada por: El tamaño de la caja no es demasiado reducido con respecto al del balde, resultando así menores los derrames e intensidad de los impactos sobre la unidad de transporte. El tiempo de carga no es demasiado pequeño y, por lo tanto, no se produce una mala saturación del equipo de carga.

TÉRMINOS Disponibilidad: es el porcentaje del tiempo total en que el equipo está disponible mecánicamente para ser utilizado para su labor principal.

Utilización: porcentaje del tiempo disponible en que el equipo está efectivamente siendo utilizado para su labor principal.

Rendimiento: es el grado de productividad que un equipo tiene en su labor principal, debe ser medido en unidades consecuentes a esta labor y el objetivo que tenga la medición de este. Por ejemplo: una pala de cables tiene una capacidad de mover 80000 toneladas por día de material.

Datos 

Capacidad del camion:240 tn /tolva.



Distancia media de transporte: 2.5 km.



Velocidad media (cargado):10km/h.



Velocidad media (descargado):15km/h.



Tiempo de aculatamiento: 1 minuto.



Disponibilidad: 80%.



Utilización: 95%

SOLUCIÓN Para calcular el número de camiones necesario, se estima cuantos camiones necesito por pala, para que esta éste trabajando continuamente. Considerar lo siguiente: 

(240tn/tolva)/(81.7tn/balde) => 3 baldes/tolva (número de baldadas para cargar un camión).



3 baldes/tolva. 1min/balde => 3min/tolva (tiempo de carguío por camión).



Velocidad cargado 10km/h. Distancia 2.5km => 0.25h (tiempo de viaje cargado).


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Velocidad descargado 15km/h. Distancia 2.5km => 0.16h (tiempo de viaje descargado).



Tiempo descarga 1min.cargar un camión).



Sumando los tiempos anteriores, se obtiene un total de 28.6min para el ciclo del camión (cargar, transportar, descargar y volver al punto de carguío).



En este tiempo, considerando que la pala demora 3min en cargar cada camión, ésta puede cargar un total de (28.6min.)/ (3min.camion) = 9.5 ~ 10 camiones.



En consecuencia, cada pala tener 11 camiones para satisfacer la producción.



Disponibilidad 80%. Utilización 95% => 11/(0.8*0.95) = 14.4 ~15 camiones/pala (efectivamente).



Como se calculó un total de 5 palas, se tiene en consecuencia un total de 75 camiones de 240t.


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