Superficial III - Perforación

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CAPÍTULO III – OPERACIONES UNITARIAS PERFORACION INTRODUCCIÓN Los métodos de explotación en minería están basados principalmente en diferentes operaciones unitarias (perforación, voladura, carguío, acarreo), las cuales es necesario cumplir con eficiencia y productividad a fin de lograr maximizar el valor actual neto del yacimiento y conseguir la rentabilidad mínima esperada por la empresa. Este objetivo, en un entorno donde las cotizaciones de los minerales disminuyen y los costos aumentan, es cada vez de más difícil consecución. Más aún cuando estas operaciones unitarias tienen un carácter cíclico, en donde los equipos solamente emplean un pequeño porcentaje de su ciclo operativo en tareas que implican una producción efectiva, por lo que el tema tema de la productividad de las operaciones es una preocupación constante. Es por lo expuesto que el estudio, análisis y optimización de las operaciones unitarias en minería en general y particularmente en minería superficial, es de vital impor tancia. En el presente capítulo se analizaran cada una de estas operaciones unitarias a fin de describir sus aspectos más importantes y lograr un adecuado conocimiento de los KP i’s (Key Performance Indicators) que las gobiernan. Facilitando así la labor del futuro ingeniero de minas, quien en el día a día de su labor se verá obligado a optimizar la eficiencia y productividad de la empresa. 98

Minería Superficial – Ing. Jorge Durant Broden - FIM PERFORACION Por necesidad la primera de las operaciones unitarias llevadas a cabo durante la etapa de explotación en minería superficial es la perforación primaria. Esta precede a la voladura, con la cual se encuentra asociada, constituyendo las dos operaciones unitarias llevadas a cabo para fragmentar la roca. El propósito de la perforación primaria es el de perforar los taladros en donde ubicar los explosivos. Hasta el momento no se han desarrollado métodos alternativos a la voladura para fragmentar rocas resistentes. También se emplea emplea la perforación perforación para propósitos diferentes diferentes a la obtención de taladros de voladura. Otra de sus aplicaciones se encuentra en exploración para la obtención de muestras, durante el desarrollo de la mina para efectos efectos de drenaje, estabilidad de taludes. Sin embargo estos métodos de perforación son únicos y requieren de equipos especializados. especializados. Durante la operación de perforación se pueden encontrar varios vari os tipos de rocas, que sean estas mineral o desmonte no tiene mayor importancia en la selección del método de perforación, más si la resistencia que estas ofrezcan a la penetración y la forma en que estas ocurran geológicamente. La misma perforadora puede ser empleada en desmonte o en mineral, pero se pueden emplear diferentes métodos en la misma mina para adecuarse a variaciones en el mineral. En tanto la tierra y otro tipo de material suelto no necesita de voladura, en ocasiones estas necesitan necesitan ser atravesadas por un taladro taladro cuando sobreyacen a la roca, o cuando estas puedan ser parcialmente removidas mediante explosivos en forma económica. El objetivo del proceso de perforación es construir un espacio físico dentro de la roca que será removida (taladros de perforación), para luego colocar el explosivo en estos taladros, los que posteriormente serán disparados. Para materializar esta actividad es necesario ejecutar la siguiente secuencia: Programación de la ubicación de los taladros a perforar. Selección del equipo a utilizar. Preparación de la zona de trabajo (topografía y limpieza). Posicionamiento de los equipos (en cada taladro). Perforación (de cada taladro) Muestreo de detritus. Verificación de la calidad y cantidad de taladros perforados. Esta secuencia se cumple hasta que se hayan perforado todos los sectores programados, para luego proceder a retirar el equipo de dichos sectores. Es necesario optimizar la voladura en función del equipo de perforación que se disponga, el que deberá proporcionar la más alta productividad y la más alta disponibilidad a fin de que las operaciones de perforación y disparo se mantengan delante de la excavación a los más bajos costos de mantenimiento y operación.

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Minería Superficial – Ing. Jorge Durant Broden - FIM HISTORIA DE LA PERFORACION Originalmente la perforación de taladros por el método rotativo fue efectuada por brocas de arrastre hasta el año de 1949. Este método fue aplicado en formaciones suaves, de tal forma que la perforación rotativa se practicaba principalmente en la remoción de la sobrecarga en minería del carbón. En 1949 se descubrió que la circulación de aire para remover los detritus de perforación incrementaba el cociente de penetración, así como prolongaba la vida de las brocas rotatorias. Anteriormente a este descubrimiento, y desde su introducción en la perforación de taladros petroleros en 1,907 se estuvo utilizando el agua como fluido de circulación en estas brocas. La dependencia del agua para la limpieza del taladro ha demorado la aceptación de las brocas con elementos de corte rotativos debido a los problemas de almacenamiento y congelación del agua, así como debido a la pérdida de la misma a través de las fracturas de la formación. Una vez que se introdujeran los elementos cortantes rotatorios, se desarrollaron mejoras subsecuentes en las herramientas para hacerlas más adaptables a las formaciones duras. Actualmente este sistema es empleado en las más duras formaciones hoy encontra das. RELACIONES ENTRE PERFORACION Y DEMAS AREAS Relación de perforación con voladura: La voladura es el primer cliente de la perforación ya que si los disparos no cumplen con las especificaciones del cliente se aumenta la probabilidad de fracaso en la calidad de la voladura, lo que desencadenaría un grave problema en cuanto a la operación, costos y producción. Por ejemplo taladros más cortos de lo especificado generarán pisos irregulares o la necesidad de voladura secundaria; por el contrario, taladros más largos podrían generar sobreexcavación. A su vez la voladura actúa como proveedor de información a la perforación, en el sentido que entregará sus requisitos en cuanto a la calidad de la perforación. Relación de perforación con carguío: Si el procedimiento de perforación no respetó la ubicación específica de cada taladro, es decir la malla no se perforo según el diseño, se generarán algunos taladros con mayor o menor espaciamiento; los que después de efectuada la voladura podrían traducirse en diferencias en la fragmentación del material con respecto a la esperada. Por ejemplo, mayores tamaños del material a ser cargado (requiriéndose de perforación y voladura secundaria), fragmentos de material demasiado pequeños (lo que significa elevados costos en perforación y disparo y disminuye el rendimiento de la molienda SAG). Otro efecto negativo en el carguío que generaría el no respetar la longitud de diseño de los taladros es que, por ejemplo los taladros más largos podrían generar sobre excavación y los taladros más cortos pisos irregulares que pueden dañar los equipos de carguío. Relación de la perforación con los Factores Geométricos y Geomecánicos: La posibilidad de construir bancos dobles o de mayor altura influirá en la operación de la 100

Minería Superficial – Ing. Jorge Durant Broden - FIM perforación (equipos y costos), ya que no siempre con los mismos recursos podrán garantizarse los resultados para este tipo de cambios operacionales. En lo que a geomecánica se refiere, la perforación necesita información para estimar si es necesario cambiar alguna variable de operación (por ejemplo espaciamiento y/o inclinación de los taladros). En el caso de perforación en la pared del pit final se tendrá en cuenta la posibilidad de realizar perforación para precorte o perforaciones con menores diámetros. Como cliente, la geomecánica recibe información de la perforación acerca de cambios relevantes en el tipo de roca perforada, los que pudieran no haber estado contemplados. Seguridad, salud y medio ambiente: Actualmente los equipos cuentan con captadores de polvo, los que deben estar bien mantenidos para garantizar su efectividad.

FUNDAMENTOS DE LA OPERACION A fin de iniciar la perforación se deben haber definido previamente los puntos a perforar y se debe de disponer de acceso al sector de trabajo. La operación se realiza con diferentes tipos de perforadoras (rotativas, DTH) y equipos auxiliares (compresores, captadores de polvo). Las características de la flota de perforadoras seleccionadas tendrán directa relación con las características de la mina tanto físicas, geométricas y operacionales (rendimientos exigidos, envergadura de los disparos, sectores especiales) El operador posiciona su equipo en los puntos especificados en el diagrama de perforación, fija el equipo y da inicio a la operación. La cual básicamente consta del apoyo de la broca de perforación sobre el terreno e inicia la perforación con las especificaciones de velocidad de rotación, pulldown (empuje) y velocidad de aire de barrido en función de las características de la roca perforar. A medida que se va profundizando el taladro llega un momento en que se debe realizar la adición de un nuevo barretón (barra larga si es que la longitud del taladro así lo 101

Minería Superficial – Ing. Jorge Durant Broden - FIM requiere), lo cual se realiza mediante el carrusel de barras de la misma máquina. Una vez finalizada la perforación se procede a retirar del taladro el set de barretones. A fin de desarrollar una buena perforación es necesario considerar los siguientes factores: 1. Suficiente fuerza de rotación en el barreno para girar la broca en cualquier estrato encontrado. 2. Suficiente fuerza de empuje en la broca (Pull Down) a fin de optimizar la velocidad de penetración. 3. Suficiente presión y caudal de aire comprimido a fin de asegurar la remoción del detritus de perforación; así como para refrigerar los cojinetes de las brocas. El costo de perforación de una operación en particular dependerá de varios factores, entre ellos: dureza de la roca, presencia de estructuras geológicas, calidad de los aceros, mantenimiento de los equipos y calidad de los operadores. De acuerdo a la experiencia práctica se puede indicar que los costos de perforación (incluyendo los de operaciones y mantenimiento), fluctúan entre un 10% y un 15% del costo global de la operación de la mina; normalmente el costo del metro perforado se ubica entre $6.00 a $15.00 por metro perforado, dependiendo del tipo y la edad de los equipos disponibles.

En cuanto al precio de las perforadoras se tienen montos del orden de $400,000 a $1’600,000

(dependiendo de los potenciales de la máquina y de sus prestaciones). Este amplio rango de precios que se encuentran en el mercado obedece a que es posible diferenciar tres segmentos 102

Minería Superficial – Ing. Jorge Durant Broden - FIM distintos de perforadoras: DTH (4.5” a 7” de diámetro: $250,000 a $450,000); Rotativa sobre neumáticos (6” a 12”: $500,000 a $900,000) y Rotativa sobre orugas (8” a 12”: $600,000 a $1’600,000).

COMPONENTES OPERATIVOS DEL SISTEMA Hay tres componentes operativos principales en un sistema de perforación (así como en la mayoría de los demás sistemas de penetración): 1. Perforadora (fuente) 2. Barras (transmisión) 3. Broca (aplicación) A estos se puede añadir un cuarto componente, el fluido de circulación, el cual limpia el taladro, controla el polvo, refrigera la broca y en ocasiones puede ser usado para estabilizar las paredes del taladro. Los tres componentes principales están relacionados con el empleo de la energía por el sistema al atacar la roca de la siguiente manera: 1. La perforadora . Es la fuente de movimiento, la que convierte la energía de su forma original (hidráulica, neumática, eléctrica o motor de combustión interna) en energía mecánica que actúe en el sistema. 2. Las barras. (acero de perforación o barretones), transmiten la energía desde la fuente hasta la broca o aplicador. 3. Broca. Es donde se aplica la energía en el sistema, ataca la roca en forma mecánica a fin de conseguir la penetración de esta. En las máquinas perforadoras comerciales se ha prestado mucha atención en la reducción de las pérdidas de energía en la transmisión, lo que a su vez está relacionado con la desviación de los taladros y los pobres resultados de la voladura. Esto ha llevado a la introducción de las máquinas DTH (Down The Hole) ya sea del tipo percusivo o rotativo, las que reemplazan la transmisión de energía mecánica en transmisión eléctrica o hidráulica. Un sistema de perforación (o de cualquier tipo de penetración) debe ejecutar consecutivamente dos operaciones diferentes a fin de conseguir la penetración en la roca, estas son: 1. Fractura del material sólido. 2. Limpieza de los detritus de perforación Ambas operaciones afectan la perforación y su performance, pero son dos fases distintas y separadas del proceso. Mecánicamente hay solamente dos formas de atacar la roca, estas son rotación y percusión; los cuatro tipos de perforadoras discutidos a continuación emplean estos principios o una combinación de ellos.

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Minería Superficial – Ing. Jorge Durant Broden - FIM El conseguir que una roca se fracture durante la perforación es cuestión de aplicar la suficiente fuerza con una herramienta a fin de exceder la resistencia de la roca. Esta resistencia a la penetración de la roca es denominada índice de perforabilidad; no es equivalente a ningún parámetro conocido de resistencia. Más aún, el campo de tensiones creado debe ser direccionado a fin de originar una abertura de tamaño y forma deseados. Estas tensiones son de naturaleza dinámica (dependientes del tiempo), pero se ha demostrado que en el proceso de la perforación se aplican tan lentamente que pueden ser consideradas como cargas estáticas. Los efectos de la tasa de carga e n la perforación de rocas han demostrado ser poco importantes. MECANISMOS DE PERFORACION Es importante hacer notar que las perforadoras rotativas son capaces de ejecutar dos métodos de perforación. La mayoría de las unidades opera como perforadoras rotativas puras, ya sea con brocas tricónicas o brocas de tipo fijo. Las brocas de tipo fijo como las brocas de arrastre no tienen partes móviles y cortan la roca mediante una acción de corte. Por lo tanto el empleo de estas brocas está limitado a los tipos de rocas más suaves. La acción de cepillado o ranurado de una broca de arrastre es ejecutada por una variedad de herramientas, incluyendo cizallas, perforadoras diamantinas, taladros sierra de cable, c adena y rotativos. Independientemente de la geometría del artefacto, la acción de arrastre en la superficie de corte es proporcionada por dos fuerzas: el empuje estático (una carga estática que actúa axialmente) y el torque (el componente de fuerza del momento rotacional, el cual actúa tangencialmente). El mecanismo de penetración de una broca de arrastre es el siguiente: 1) en tanto que la superficie de corte de la broca este en contacto con la roca, se originará una deformación elástica, 2) la roca es triturada en la zona de elevada fatiga adyacente a la broca, 3) las fracturas se propagan hacia la superficie a lo largo de las trayectorias de corte formando de esta manera las astillas, 4) la broca rebota y se mueve hacia adelante a fin de entrar nuevamente en contacto con la roca sólida, desplazando así los fragmentos fracturados. Se podría pensar que el empuje origina la indentación y que el torque origina el corte o cepillado. La similitud en la acción de corte de estos dos sistemas de perforación es remarcable. Esencialmente, bajo ataque mecánico, la roca falla alternativamente por trituración y astillamiento, así se esté aplicando la energía por percusión o rotación. Otro método empleado por los equipos de perforación rotativa es la perforación con martillos en el fondo (DTH); en donde se emplean compresores de aire de alta presión a fin de proporcionar aire comprimido al martillo DTH a través de las barras de perforación. La fuente de aplicación en perforación percusiva es una herramienta de corte tipo barrena de cincel o una broca de botones la que golpea la roca con una acción de martillo, luego rebota a fin de golpear nuevamente la roca a lo largo de una distancia controlada, obtenida mediante la rotación de la broca. El torque rotacional aplicado, sin embargo, no origina ninguna 104

Minería Superficial – Ing. Jorge Durant Broden - FIM penetración de la roca, ya que este es pequeño en magnitud y es operativo únicamente en el rebote. De igual manera, el único propósito del empuje estático aplicado es el de mantener la broca en contacto con la roca. Por lo tanto, la tensión efectiva en la fracturación de la roca es la del golpe o impacto, esencialmente en una dirección axial al elemento de corte y de una manera pulsante.

La secuencia en la formación del cráter es la siguiente: 1) la roca es elásticamente deformada, triturando cualquier irregularidad de la superficie de esta, 2) formación de las principales fracturas sub superficiales (probablemente a tensión), estas se propagan en forma radial a partir de los límites del elemento de corte, se origina una cuña del material la cual es triturada, 3) se propagan las fracturas secundarias, presumiblemente a lo largo de las trayectorias de corte hacia la superficie, estas forman grandes fragmentos o astillas de roca, 4) las partículas rotas son eyectadas fuera del taladro por el rebote de la broca y la acción de limpieza de cualquier fluido de circulación, resultando en la formación de un cráter. La secuencia completa se repite con cada golpe, así m ismo la rotación graduada tiende a proporcionar “caras libres” adicionales, las cuales ayudan a la fracturación de la roca e incrementan el tamaño del cráter.

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Minería Superficial – Ing. Jorge Durant Broden - FIM Básicamente, en tanto nos estemos refiriendo a la fracturación de la roca, los dos mecanismos predominantes en la perforación percusiva son trituración y astillado. La principal diferencia entre la perforación rotativa y otros métodos es la ausencia de percusión. En la mayoría de las aplicaciones de perforación rotativa la broca preferida es la broca tricónica. Las brocas tricónicas trabajan mediante un aplastamiento y fragmentado de las rocas. Esto se logra mediante la transferencia de la fuerza de empuje, conocida como pulldown, a la broca mientras se la hace rotar a fin de desplazar las puntas de carburo en la roca mientras los tres conos rotan alrededor de sus respectivos ejes. La rotación es proporcionada por un motos hidráulico o eléctrico (llamado cabezal rotativo), el que se mueve hacia arriba o abajo del castillo de perforación mediante un sistema de alimentación, los cuales utilizan cables, cadenas o piñones accionados mediante cilindros hidráulicos, motores hidráulicos o motores eléctricos. Atlas Copco utiliza cables ya que estos son de bajo costo y permiten detectar las fallas más fácilmente y evitar así graves fallas.

FACTORES QUE INFLUENCIAN LA PERFORACION

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Minería Superficial – Ing. Jorge Durant Broden - FIM Se tienen varios factores, los cuales se piensa que afectan la penetración de la roca o la limpieza del detritus en el proceso de perforación. Estos, a su vez, determinan en gran medida la performance de todo equipo perforador. Estos factores pueden ser agrupados en seis categorías: 1. 2. 3. 4. 5. 6.

Perforadora. Barretón. Broca Fluido de circulación Dimensiones del taladro Roca.

Los factores en las categorías del 1 – 4, componentes del mismo sistema de perforación, son denominados variables de diseño u operativas. Estos son dependientes (controlables) dentro de ciertos límites, a pesar de estar interrelacionados en algunas instancias y son seleccionados para cumplir con los requisitos ambientales referidos en la categoría 6). Aquellas variables de mayor importancia en varios de los sistemas de perforación son listados en la Tabla 3. 1. Los factores de geometría del taladro de la categoría 5), tamaño y profundidad del taladro, están determinados principalmente por requisitos externos y son variables independientes (incontrolables) en el proceso de perforación. Los factores ambientales de la categoría 6 incluyen los siguientes: a. Las propiedades de la roca (resistencia a la penetración, porosidad, contenido de humedad, densidad, etc.). b. Condiciones geológicas (petrología y estructural). c. Estado de tensiones (presión de sobrecarga y formación de presión de líquidos, no es importante en taladros poco profundos). Estos a menudo son denominados factores de perforabilidad. FACTORES OPERATIVOS En la perforación de los taladros intervienen principalmente dos fuerzas; la fuerza de empuje y la fuerza de rotación. Estas fuerzas provienen de la energía suministrada a la broca por el barretón. Acción de corte: La acción de corte proviene del par de fuerzas originado por la fuerza de rotación. Para obtener esta acción se debe proporcionar suficiente empuje a la broca para que los elementos cortantes de esta superen la resistencia a la compresión de la roca. Acción de empuje: La fuerza de empuje, se obtiene por el peso de las herramientas por encima de la broca y así mismo acoplando a este peso parte del peso del equipo de perforación a través de una cadena de empuje. Altas cargas de empuje originan una mayor

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Minería Superficial – Ing. Jorge Durant Broden - FIM penetración y, dentro de ciertos límites, una mayor eficiencia en la perforación, así como menores costos. CARACTERISTICAS DE L AS PERFORADORAS La fuente de energía de una perforadora rotativa es un motor eléctrico, siendo esta energía la más económica para el trabajo a realizarse. La tensión suministrada al equipo es de 4.16 KW, 60 Hz. Esta energía es utilizada en lo siguiente: Traslado del equipo. Operación de los pistones y erección del mástil. Generar el empuje en la broca. Rotación de la broca. Izaje. Operar las compresoras. El reparto de energía del equipo es como sigue: Rotación Traslado e izaje Sistema de empuje Compresoras de aire Todos los demás sistemas TOTAL

44 - 70 HP 22 - 43 12 250 24 399 HP

En la operación del equipo, el mismo motor suministra energía para más de un servicio, por ejemplo el izaje, la nivelación o el traslado son operaciones que no se realizan simultáneamente. Seria inusual necesitar las compresoras de aire mientras se traslada o se nivela la máquina. SISTEMA ROTACIONAL Los sistemas que proporcionan la energía rotativa son: el vástago de transmisión y el cabezal rotativo. El vástago utiliza un plato giratorio movido eléctricamente por el motor de rotación. El vástago de rotación, conectado con el barretón desliza a través de la abertura del plato giratorio y rota con este. La rotación es fuerte y confiable, pero el vástago de transmisión debe desacoplarse cada vez que se desee añadir un nuevo barretón. Cuando se necesita un nuevo barretón, la unidad de propulsión es desacoplada de la columna de barretones y elevada en el mástil, para así permitir la inserción del nuevo segmento. En el cabezal rotativo, el movimiento es aplicado directamente a la columna de barretones por un engranaje impulsado por un motor eléctrico. Este cabezal rotativo está acoplado a la columna de barretones y se mueve con este hacia arriba y hacia abajo sobre cadenas montadas en el mástil. 108


Normalmente las velocidades de rotación varían entre los 30 a 70 RPM. Estando la perforadora diseñada para un torque entre 10 a 20 pies-libra por cada 100 libras de empuje. SISTEMA DE EMPUJE Todas las perforadoras tienen un sistema de empuje para aplicar suficiente presión y así fragmentar la roca con eficiencia. Las brocas usadas requieren cargas de hasta 8,000 lb/pulgada, dependiendo de la resistencia o dureza de la roca. Dado que el peso de la columna de barretones es una pequeña fracción de esta carga, se requiere de una fuerza adicional. Este empuje es obtenido exclusivamente por energía hidráulica aplicada a través de cadenas y poleas, siendo este el sistema más común de aplicación de energía. Este sistema emplea un engranaje de polea movido hidráulicamente que engrana y mueve dos cadenas continuas acopladas a ambos lados del cabezal rotativo. Todos los sistemas de empuje utilizan el peso del equipo de perforación para reaccionar contra el empuje aplicado en la broca. Por lo tanto, en la perforación de taladros de gran diámetro se requieren de equipos de perforación que sean pesados; en general el equipo de perforación es capaz de aplicar una fuerza hacia abajo del 68% de su peso total. La fuerza total hacia abajo que puede ser aplicada no depende únicamente del peso total del equipo de perforación, sino también de la forma en que se distribuye este peso en el equipo.

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Minería Superficial – Ing. Jorge Durant Broden - FIM CARGAS EN LA BROCA Y PESO DEL EQUIPO Bucyrus Erie MODELO Diam. Del taladro Peso del Equipo Carga en la broca (Pulgadas) (Libras) (Libras) 30-R 6 – 7 /8 54,000 32,000 40-R 6¾-9 84,000 52,000 5 45-R 6 ¾ - 10 /8 103,000 70,000 50-R 9 – 12 ¼ 112,000 75,000

SISTEMA DE CIRCULACION Debido a los grandes cocientes de penetración y a una larga vida de los elementos de corte, las perforadoras rotativas utilizan un sistema de limpieza por aire con las brocas tricónicas. La circulación por aire comienza en el compresor y luego a través del cabezal rotativo hacia los barretones, para terminar en la broca, en donde es recogido el detritus y transportado fuera del taladro a través del espacio anular existente entre el barretón y la pared del taladro. Una deficiencia de aire permitirá que los detritus retornen al fondo del taladro disminuyendo así la velocidad de penetración, así como la vida útil de la broca, ya que esta debe efectuar más trabajo al actuar sobre los detritus que no han podido ser evacuados hasta reducirlos a un tamaño suficiente como para que la velocidad anular sea capaz de sacarlos a la superficie. Para obtener buenos resultados el aire debe tener un volumen y velocidad adecuados. La mínima velocidad de retorno de aire requerida para limpiar eficientemente un taladro es de 4,000 pies/min. para materiales de baja densidad y de 7,000 pies/min. para materiales densos o para un tamaño de partícula grande. La siguiente relación se puede utilizar para calcular la velocidad anular requerida para transportar fuera del taladro el detritus de un determinado tamaño y densidad. V 54,600

P P 62.4

D 0.6

Donde: V = velocidad mínima de aire (pies/min.). P = densidad de la roca (lb/pie3). D = diámetro de la partícula (pies). Aunque esta fórmula es aproximada, muestra como varia la velocidad de aire con la densidad de la roca y el tamaño de la partícula. En taladros con presencia de agua la velocidad debe incrementarse ya que las partículas tienden a aglomerarse. En todos los casos una velocidad de 4,000 pies/minuto es considerada la mínima requerida bajo condiciones normales de perforación. De acuerdo a los estudios realizados en Tintaya, la velocidad anular para la densidad y tamaño de las partículas es como sigue: Para rocas livianas: Para rocas medias:

4,000 pies/min. 5,000 pies/min. 110

Minería Superficial – Ing. Jorge Durant Broden - FIM Para rocas densas:

7,000 pies/min.

Se deben evitar velocidades demasiado altas ya que pueden desgastar el barretón; este desgaste ocurre a velocidades mayores a 9,000 pies/min. Una vez regulada la velocidad de aire, el volumen de este puede ser calculado por la siguiente fórmula.

Q V

D2

d 2

1.833

0.126

Donde: Q = Volumen de aire requerido (CFM). V = Velocidad mínima de aire (pies/min.). D = Diámetro del taladro (pulgadas). d = Diámetro externo del barretón (pulgadas). De acuerdo a los requerimientos de aire, el volumen de este varía de la siguiente manera: Rocas livianas (4,000 pies/min.), CFM = 4,000 * (0.126) = 504 Rocas medias (5,000 pies/min.), CFM = 5,000 * ( 0.126) = 630 Rocas duras (7,000 pies/min.), CFM = 7,000 * (0.126) = 883.11 SISTEMA DE IZAJE El mástil está conectado en articulación con los cilindros hidráulicos, lo que permite retraerlo cuando sea necesario; generalmente cuando el equipo de perforación deba trasladarse. Ya que el centro de gravedad del equipo es bajo y los traslados por lo general son cortos; el mástil no necesita retraerse en la mayoría de los casos. El mástil sostiene así mismo el equipo necesario para el almacenamiento y cambio de barretones, puede sostener la longitud completa del barretón, teniendo espacio suficiente para acomodar hasta 46 pies de longitud en barretones. Los barretones, en tanto no son usados, son sostenidos por un deck giratorio el que se encarga de acoplarlos al cabezal giratorio para su uso. Otro sistema soportado por el mástil es el de empuje y rotación. Las cadenas de empuje vienen acopladas a ambos lados del mástil; son estas cadenas las que suben y bajan el motor de rotación, el cual viene asentado sobre una deslizadera de avance.

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Minería Superficial – Ing. Jorge Durant Broden - FIM BROCAS El diámetro de las brocas está determinado por el ritmo de producción, ya que a mayor diámetro hay mayor rendimiento productivo; empleándose las brocas tricónicas de 9 7/8". Estas brocas están equipadas con insertos de carburo de tungsteno. Siendo estas brocas para formaciones duras, los insertos son pequeños y presentan poco relieve.

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Minería Superficial – Ing. Jorge Durant Broden - FIM Las brocas más utilizadas en Tintaya son las siguientes: Hughes

Smith Coromant Security Secoroc Reed

HH77 para terreno duro. HH44 para terreno medio. HR para terreno suave. M83DJ para terreno muy duro. QAMJ para terreno medio. CM para terreno duro. H8M para terreno duro. MH para terreno medio. M75 para terreno duro.

De todas las brocas enumeradas, las que mejor resultado han dado son las Hughes; ya que se han obtenido recorridos máximos de 6,000 m. y promedios de 4,000 m. PARTES DE LA BROCA Cortadores.

Se denominan cortadores a cada cono que contiene los insertos de carburo de tungsteno, la geometría del cono incide directamente en la acción cortadora o indentadora. El movimiento de la broca al momento de perforar produce una rotación del cono en el sentido contrario al de las agujas del reloj. Cojinetes.

En las brocas usadas comúnmente se distinguen tres tipos de co jinetes: a) Cojinetes estándar con rodillos y bolillas. b) Cojinetes auto-lubricados con rodillos y bolillas. c) Cojinetes de fricción auto-lubricados. Usualmente existe una combinación de chumaceras, cojinetes de bolas y cojinetes de rodillos; la disposición de los cojinetes es cuidadosamente estudiada ya que deben soportar las tremendas cargas en la broca. Los cojinetes de bolas permiten mantener fijos los conos y en parte absorben la tensión del fondo del taladro. Absorben alguna carga radial y soportan la mayor parte de la carga de empuje, longitudinal al eje de la broca. Los cojinetes de rodillos están ubicados de tal manera que soportan la mayoría de las cargas radiales y están libres de las cargas de empuje que son longitudinales al eje de la broca. De esta manera se minimiza la fuerza que tiende a sesgar los cojinetes en su carrera. Cuerpo de la broca

En el cuerpo de la broca se puede observar lo siguiente: 114

Minería Superficial – Ing. Jorge Durant Broden - FIM a) Una conexión roscada que une el trépano con la columna de barretones, esta conexión se denomina espiga. Esta espiga es de forma cónica con la finalidad de que las roscas en el proceso de enroscado no se roben, ya que la mayor parte de la presión es absorbida por el cuerpo del barreno piloto. b) Tres ejes de cojinetes donde van montados los conos (pata y faldón). c) Los orificios a través de los cuales circula el aire de perforación para limpiar los detritus del fondo y refrigerar los cojinetes. Estos orificios son llamados toberas y son intercambiables y construidas con aceros de alta resistencia. d) Todas las brocas tienen revestimiento de metal duro en la superficie calibradora. Este revestimiento es usualmente de carburo de tungsteno; el cual es el doble de duro que el cuarzo que es el mineral más duro y abrasivo comúnmente encontrado. e) Ya que las brocas para formaciones duras requieren de mayores empujes, los coji netes son de mayores dimensiones, así mismo tienen los insertos más pequeños y más resistentes. Así mismo el espaciamiento entre estos insertos es menor. DESGASTE DE LA BROCA Al momento no hay una forma cuantitativa de relacionar la vida de la broca con las variables operacionales, por lo tanto nos remitiremos a los reportes para determinar la vida media de la broca. Se sabe que el mínimo recorrido que debe tener una broca Hughes es de 2,500 m. ya que con este mínimo se estaría compensando el precio de la misma. El promedio de vida de estas brocas es de 4,000 m. y el máximo de 6,000 m. Cuando un diente de la hilera exterior o calibradora se rompe.

Aumenta la carga sobre los demás, generalmente este caso se traduce en la rotura completa de los dientes calibradores. Esto ocurre generalmente por la oblicuidad de los empates de los barretones o mal uso de los parámetros de perforación. Porque en una operación normal los dientes que sufren baja son los del medio y los de la nariz de la estructura de corte. Broca con dientes rotos.

Significa un desgaste prematuro, en estos casos podría ser aconsejable una broca para terreno más duro, debido a que el grado de penetración disminuye con la rotura de los insertos. Otra recomendación es disminuir el Pulldown y aumentar las revoluciones, medida que disminuirá la productividad de la perforadora al disminuir el coeficiente de penetración Carcasa de los insertos muy desgastada.

En este caso el trépano o broca se encuentra descentrado, lo que ocurre por deficiencia operativa, generalmente una falla en el estabilizador. Otra de las causas es una carga excesiva sobre la broca. Para remediar una perforación excéntrica: Aumentar ligeramente la presión sobre la broca. Emplear un tipo de broca para formaciones blandas. Si se está perforando con agua incrementar el caudal. 115

Minería Superficial – Ing. Jorge Durant Broden - FIM Incrementar el caudal de aire Pérdida masiva de los insertos del medio, nariz y con el fondo rastrillado.

Si el cojinete se encuentra en buenas condiciones significa que la broca se ha embolado, lo que se produce por: Excesiva carga sobre la broca; insuficiente caudal de barrido en el fondo del taladro. Se ha observado ocasionalmente que este tipo de desgaste se ha originado al pasar por formaciones de caliza metamorfoseadas que es un terreno de comportamiento muy anisotrópico y generalmente plástico. En estos casos es recomendable: Disminuir la presión sobre la broca; aumentar el caudal del fluido limpiador. Desgaste en el cuerpo de la broca.

Si se observa un desgaste del faldón con uniformidad o un desgaste del cuerpo de la broca. Es necesario verificar el diámetro nominal, lo que se puede realizar con un anillo de bronce y un flexómetro, en caso de que la broca haya perdido 1/5 de diámetro es recomendable rellenar los faldones con soldadura para recuperar el diámetro. Una excesiva pérdida de diámetro nominal dejará al descubierto los cojinetes. Algunas de las medidas para evitar desgastes prematuros: Emplear brocas para formaciones duras con un mínimo de excentricidad. Emplear trépanos con insertos de carburo de Tungsteno. Reducir la velocidad de rotación. Emplear estabilizadores de escasa holgura con respecto al diámetro nominal del taladro. Si las brocas se encuentran en buenas condiciones en su estructura de corte se hace el relleno con soldadura resistente (Cromadas a manera de refuerzo). Generalmente los faldones recorren 600 m. antes de que sea necesario soldarlos. Rotura completa del faldón con cojinete y cono.

Ocurre al retardar bruscamente la velocidad de rotación. Puede ocurrir también que la broca se encuentre cargada de material como consecuencia del derrumbe parcial de la pared del taladro. Para juzgar el desgaste de los cojinetes se deben hacer girar los conos, una vez que estos estén limpios y si se observan conos flojos, esto es índice de que los cojinetes están gastados. Juzgando el movimiento de los bordes internos y externos del cono o el movimiento a lo largo del eje de soporte indicará cuál de los cojinetes se está desgastando más rápidamente. Se debe considerar que los cojinetes se desgastan con mayor rapidez hacia el final de su vida útil. Finalmente y para aumentar la vida útil de las brocas, a continuación se recomiendan los diferentes empujes para los diámetros de broca.

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TOBERAS Una vez conocidos los requerimientos de aire, se debe considerar otro parámetro de la circulación de este, la caída de presión a través de la broca a fin de asegurar la refrigeración de los cojinetes. Para asegurar un barrido adecuado del fondo del taladro, así como una buena performance de los cojinetes, las toberas de aire deben ser seleccionadas para dar la mayor caída de presión posible a través de la broca, consistente con una buena práctica de perforación. Se requiere de una contrapresión para forzar el 30% del aire a través de los cojinetes, a menos que estén siendo usados cojinetes sellados. Una caída de 30 psi es considerada aceptable, pero con mayores caídas de presión se obtendrá una mejor limpieza. Para obtener esta caída de presión se encuentran en el mercado varios diámetros de toberas o casquillos reductores. Para encontrar el diámetro adecuado se procede de la siguiente manera: El monto de aire que pasará a través de una sola tobera puede ser aproximado por la fórmula de S.A. Moss: X= X a C P t

0.5303 aCP t 0.5

descarga de aire en lb/seg. área del orifico en pulgadas. coeficiente de flujo (0.8) presión total ascendente psia temperatura ascendente en °F

x puede convertirse a cfm empleando la densidad del aire (0.0749 lb/pie 3 a nivel del mar). El volumen de flujo a través de una tobera será entonces: Q t = 60 × X/0.0749 → Q t = 801 X Q t = 801 × 0.5303 × a × 0.8 × P ÷ 3.460.5 Q t = 18.27 × a × P Q t = 18.27 × a × (p -10 + 14.7) 117


D n2 A 5/16 0.098 0.077 3/8 0.141 0.110 1 3/32 0.165 0.130 7/16 0.192 0.151 ½ 0.250 0.196 9/16 0.317 0.249 5/8 0.391 0.307 ¾ 0.563 0.442 13/16 0.660 0.518 7/8 0.766 0.601 1 1.000 0.785 1 1/8 1.266 0.994 1¼ 1.563 1.227 1 3/8 1.891 1.485 1½ 2.250 1.767 2 4.000 3.142 2 1/8 4.516 3.547 2¼ 5.060 3.972 D = Diámetro de broca en pulgadas A = Area de la tobera en pulgadas 2

DATOS DE TOBERAS CFM por tobera – Presión manométrica del compresor PSI 40 50 65 90 100 72 88 140 152 168 103 126 201 218 242 121 148 236 256 283 140 172 274 297 329 183 224 357 389 428 232 284 453 492 543 286 350 559 606 670 412 504 804 872 964 483 591 943 1023 1130 560 685 1094 1187 1312 731 895 1429 1549 1713 926 1133 1809 1961 2168 1143 1399 2233 2421 2677 1383 1692 2702 2930 3239 1645 2013 3215 3486 3854 2924 3579 5715 6197 6851 3302 4041 6453 6996 7735 3700 4528 7230 7839 8667

Q t = 14.35 × n2 × (p + 4.7) Pero Q t = 0.7 Q b 0.7 Q b = 14.35 × n2 × (p + 4.7) Q b = 14.35 × n2 × (p + 4.7) ÷ 0.7 n2 =

Qb 61.5 ( p

4.7)

El anterior resultado es aplicado para tres toberas: Q t Q b P n

volume de aire libre a través de la tobera (cfm) Volumen de aire libre a través de la broca (cfm) Presión manométrica del compresor (psig) Diámetro de la tobera (pulgadas)

El diámetro requerido de tobera para nuestro ejemplo es de 0.34 pulgadas. Ya que en el mercado no es posible encontrar el tamaño exacto debemos seleccionar el tamaño mas aproximado para lo cual empleamos la anterior tabla. En nuestro caso, la tobera que mejor se adapta a nuestros requerimientos es la de 9/16

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Minería Superficial – Ing. Jorge Durant Broden - FIM BARRETONES Cuando se utiliza la circulación de aire, la práctica generalizada es utilizar el barretón de mayor diámetro posible para reducir el espacio anular entre las paredes del taladro y el diámetro externo del barretón, lo que incrementa la velocidad de retorno de aire; ya que de esta manera el volumen de aire del compresor puede mantenerse bajo límites razonables. El desgaste máximo que pueden sufrir los barretones antes de ser descartados es de 0.2 pulgadas. Los barretones utilizados tienen un diámetro interno suficientemente amplio como para permitir el paso del aire de limpieza y refrigeración; y un espesor de 0.750 pulgadas que es lo suficientemente grueso como para resistir el torque y el empuje. El barretón es 1.25 pulgadas más pequeño que el diámetro del taladro, mayores diámetros originarían que el barretón se atore en el taladro. La longitud de los barretones es de 32 pies. En la siguiente Tabla se consignan algunas de las características de los barretones más utilizados en minería superficial DIMENSIONES DE LOS BARRETONES Diámetro externo Espesor Juntura API Peso/Pie Pulgadas Pulgadas Pulgadas Libras 2 7/8 0.281 3 1/8 IF 7 – 8 3½ 0.254 3 7/8 REG 10 – 12 4 0.330 3 ½ IF 12 – 17 4½ 0.337 3 ½ REG 17 – 19 5 0.362 4 FH 20 – 21 5½ 0.415 4 ½ REG 25 – 26 6 0.500 4 ½ FH 31 – 32 6½ 0.500 4 ½ REG 34 – 41 7 0.751 5 ½ REG 54 – 56 8 5/8 0.750 6 5/8 REG 60 – 75 10 ¾ 1.000 6 5/8 REG 130 - 140

ESTABILIZADOR Se utiliza un estabilizador justo encima de la broca y otro en la parte superior de la columna de perforación, su objetivo es mantener la perpendicular del taladro consiguiéndose así una perforación más suave. El estabilizador, actuando como guía, fuerza a la broca a girar sobre su propio centro, utilizando de esta manera la energía de la forma más eficiente. El estabilizador es confeccionando soldando piezas de fierro rectangulares cada 90 grados y a lo largo del eje de una pequeña sección de barretón de 76 cm. de longitud, las aletas del estabilizador son 1/8 de pulgada mayor que el diámetro del mismo. La eficiencia del estabilizador depende de su proximidad a la pared del taladro. Una excentricidad de los elementos del estabilizador ocurre debido al desgaste de este y es un detrimento a la performance de la perforación, así como a la vida del barretón y de la broca. Generalmente

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Minería Superficial – Ing. Jorge Durant Broden - FIM estos estabilizadores deben ser controlados periódicamente para en caso de estar descentrados ser enviados al taller para soldarles nuevas piezas.

Este tipo de estabilizador es de muy bajo costo y es así mismo importante en la adecuada transmisión del empuje y la torsión a la broca que de otra manera no serian los adecuados, gastando prematuramente la broca y doblando los barretones.

ACOPLE O ADAPTADOR Es el elemento que une el cabezal rotativo con la columna de barretones, y está encargado de la transmisión de la energía de rotación desde el cabezal a la columna o tren de barretones. La superficie de estrías y roscas debe ser muy resistente al desgaste, por consiguiente se le somete a un proceso de carbonización que aporta esa resistencia superficial. PARAMETROS DE PERFORACION Es imposible establecer parámetros fijos para la carga sobre la broca y la velocidad de rotación en cada caso de perforación; cada taladro requerirá de una adecuada combinación de estas variables, lo que redunda en la vida de la broca y en los costos de perforación. Aún dentro de un mismo taladro se requiere cambiar los valores de estas variables operativas, para adecuarse al cambio en las condiciones del terreno; al atravesar diferentes estratos o formaciones. Una adecuada combinación de estas variables es el resultado de una efectiva aplicación del criterio y experiencia del perforista.

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Minería Superficial – Ing. Jorge Durant Broden - FIM Sin embargo y a manera informativa se hará una somera descripción de la influencia de estas variables en la performance de la perforación. PESO SOBRE LA BROCA La carga ejercida sobre las brocas varía directamente con el diámetro de esta y la resistencia de la roca e inversamente con la velocidad rotacional. Una excesiva carga sobre la broca ocasionará que los barrenos se doblen y que la broca se desgaste con rapidez, se conoce que se esta aplicando la carga adecuada cuando no hay excesivas vibraciones en las cadenas de empuje, barretones y en general en todo el equipo de perforación. Las cargas aplicadas varían entre 20,000 y 53,000 Lb. VELOCIDAD DE ROTACION En tanto incrementan la carga sobre la broca y la resistencia de la roca, se debe disminuir la velocidad de rotación, ya que en caso de aumentar dicha velocidad o aún de mantenerla, se producirá una más rápida penetración pero a expensas de la vida de la broca ya que la velocidad anular no podrá limpiar eficientemente el fondo del taladro. Sin embargo cuando se trata de brocas con un ligero desgaste, es recomendable un ligero incremento en la velocidad de rotación. Ya que se ha demostrado que para brocas con ligero desgaste, un incremento en la velocidad de rotación aumentará la penetración sin aumentar la tasa de desgaste de la broca. La velocidad óptima deberá estimarse para cada taladro, estando usualmente entre 40-60 RPM; siendo de 50 RPM la velocidad promedio empleada. Velocidades menores al promedio son utilizadas para iniciar un taladro o en zonas de dificultad en la perforación ya sea por su dureza o por su variabilidad. Una velocidad de 60 RPM se empleará en zonas suaves y de fácil perforación. En términos generales se puede indicar que, a mayor dureza de la roca, es recomendable utilizar un mayor empuje y una menor velocidad de rotación. Así mismo, a menor dureza de la roca se utilizará una mayor velocidad de rotación y menor empuje. DIMESIONAMIENTO DE EQUIPOS Definida la vida útil de la mina y el movimiento de materiales a realizar durante ese tiempo, se tiene determinado el ritmo de explotación de la mina y con ello el rendimiento exigido por las labores, por lo tanto se tiene el punto de partida para la determinación de las actividades a realizar con dicho rendimiento. En el caso de la perforación se tiene que diseñar la malla de perforación, la cual podrá estar definida globalmente, cuando no se discriminen sectores específicos de la explotación, o podrá definirse una malla específica para cada caso existente (mineral, estéril, sectores conflictivos, precorte, bancos dobles, etc.). Sobre la base del tipo de roca a perforar se ha determinado el tipo de perforación más adecuada. 121

Minería Superficial – Ing. Jorge Durant Broden - FIM Independientemente de la situación, se necesita definir: Diámetro del talado. Burden. Espaciamiento entre taladros. Disposición espacial relativa de los taladros. Angulo de inclinación de los taladros. Longitud de los taladros (altura de banco + sobre perforación). Definido el diámetro del taladro, deberá determinarse (bajo criterios teóricos y/o empíricos) el burden y espaciamiento. Además se debe determinar la disposición espacial de los taladros, con lo cual quedará definida la malla de perforación. Una vez definido todo lo anterior, más la longitud del taladro, se podrá determinar el tonelaje a mover involucrado en la operación de perforación, siendo: Td B E H S δ

Tmt Tap T

= Tonelaje a remover por cada disparo (toneladas). = Burden (metros). = Espaciamiento (metros). = Altura de bancos (metros). = Sobre-perforación (metros). = Densidad de la roca (toneladas/m3). = Tonelaje a remover por metro de taladro (toneladas). = Tonelaje a remover por área perforada. = Tonelaje total por periodo.

Se tiene que: Td = B × E × H × δ

Con lo que se pueden obtener los siguientes índices: Tmt = Td ÷ (H + S) (ton/mp). Tap = Td ÷ (B + E) (ton/m 2) Con lo que se puede tener una aproximación de: Numero de disparos necesarios por período, a fin de cumplir con el programa de explotación de la mina (taladros): Nt = T/Td (taladros) Metros perforados, requeridos por período, para cumplir con el ritmo de explotación de la mina (metros perforados): Mpp = T/Tmp. Area sometida a perforación por periodo: Asp = T/Tap (m 2) Para calcular el rendimiento de un equipo de perforación se deberá determinar: DFp

= Disponibilidad física del equipo de perforación (%). 122

Minería Superficial – Ing. Jorge Durant Broden - FIM UTp FOp FR TDp HTp VP

= Utilización del equipo de perforación (%). = Factor operacional del equipo de perforación (%). = Factor de roca (%), el que castiga la velocidad de perforación en función de la dificultad operacional que impone la roca. = Turnos a trabajar por día de perforación (turnos por día). = Horas trabajadas por turno en perforación (horas). = Velocidad de perforación instantánea del equipo (mp/hora), determinada por catálogo.

Con estos datos se procede al cálculo del rendimiento del equipo de la siguiente manera: Velocidad real de perforación: VPr = VP × FR × DFp × UTp × FOp × 10 -8 (mp/h) Rendimiento por turno: MpT = VP × HTp (mp/turno) Rendimiento por día: MpD = MpT × TDp (mp/día) Definiendo los días trabajados en perforación como DPp, se tiene que el número de equipos requeridos para cumplir con la producción es: Nro Equipos = MpT / (MpD × DPp) Resultado con el cual se realizará el análisis que permita definir el número de equipos para la operación (lo que incluye a los equipos de reserva). Dependiendo del equipo a utilizar, se deberá realizar el dimensionamiento de equipos auxiliares de perforación necesarios (compresores, remolcadores, grupos electrógenos, etc.).0

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Superficial III - Perforación

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