Curso : Eficiencia en la Perforación y Voladura de Rocas. Profesor: Juan Basualdo Basualdo Trujill rujillo. o.
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INTRODUCCION. El propósito de este Curso de Técnicas Eficientes de Perforación Rotatoria, y Voladura de Rocas es proveer el conoc onocim imie ien nto elem elemen enttal de perf perfor orac aciión de roca oca y fami amiliar liariizar al lector con las herramientas usadas en la Minería actual. El curso esta dirigido Ingenieros en Minas, Geólogos, instruc ructores avezados y otr otras personas afines al tema, donde los conceptos fundamentales de perforación y Voladura, deben ser aprendidos y amalgamados con la experiencia. No debemos olvidar, que la perforación es la primera operación unitaria en el ámbito de la minería. . A continuación se expondrá un curso interesante en todo el ámbi ámbitto de la perf perfor orac ació ión n Rota otatoria oria como omo prim primer era a part parte. e.
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INTRODUCCION. El propósito de este Curso de Técnicas Eficientes de Perforación Rotatoria, y Voladura de Rocas es proveer el conoc onocim imie ien nto elem elemen enttal de perf perfor orac aciión de roca oca y fami amiliar liariizar al lector con las herramientas usadas en la Minería actual. El curso esta dirigido Ingenieros en Minas, Geólogos, instruc ructores avezados y otr otras personas afines al tema, donde los conceptos fundamentales de perforación y Voladura, deben ser aprendidos y amalgamados con la experiencia. No debemos olvidar, que la perforación es la primera operación unitaria en el ámbito de la minería. . A continuación se expondrá un curso interesante en todo el ámbi ámbitto de la perf perfor orac ació ión n Rota otatoria oria como omo prim primer era a part parte. e.
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Capítulo 1: –
Sesión 1: Introducción a métodos de perforación de Rocas
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Sesión 2: Clasificación de las rocas según su origen y principales propiedades. propiedades.
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Sesión 3: Perforación Perforación Rotopercutiva y accesorios.
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Sesión 4: Perforación Perforación rotativa con triconos .
Capítulo 2: –
Sesión 1:Descripci 1:Descripcion on de Perforador Perforadora a - Compr Compresore esoress - cálcul cálculos os de caída de presi presión. ón.
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Sesión 2: Velocidad de partícula – caudal de aire.
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Sesión 3: Velocidad de penetración
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Sesión 4: Costos.
Capítulo 3: –
Sesión 1: Calculo de flota de maquinas de perforación p erforación..
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Sesión 2: Costo Horario / Costo metro.
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Sesión 3: Seguridad en e n la perforación.
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Sesión 4: Conclusiones
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Capítulo 4: –
Sesión 1:Termodinamica 1:Termodinamica de los explosivos
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Sesión 2: Propiedades de los explosivos.
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Sesión 3: Explosivos industriales.
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Sesión 4: Accesorios de Voladura.
Capítulo 5: –
Sesión 1: Sistemas de iniciación y cebado.
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Sesión 2: Mecanismo de rotura de la Roca
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Sesión 3: Variables controlables de las Vola Voladuras. duras.
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Sesión 4: Voladuras en bancos – Donde empezar?
Capítulo 6: –
Sesión 1: Vibraciones de voladura y explosión de aire.
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Sesión 2: Control de quebradura q uebradura – Voladuras de contorno.
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Sesión 3: Voladura subterránea.
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Sesión 4: Seguridad Seg uridad en explosivos, transporte y uso.
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CAPITULO I Sesión 1: Introducción a métodos de perforación de Rocas.
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Métodos de Perforación de Rocas •
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La perforación de las rocas dentro del campo de las Voladuras, es la primera operación unitaria que se realiza y tiene como finalidad generar pozos, donde poder verter el explosivo y sus accesorios. Los sistemas de penetración de la roca que han sido desarrollados y clasificados por secuencia de aplicación son: A) Mecánicos - Percusión - Rotación - Roto percusión. B) Térmicos
- Lanza térmica - Plasma - Fluido caliente - Congelación.
C) Hidráulicos - Chorro de agua - Erosión - Cavitación. 6
Métodos de Perforación de Rocas. D) Sónicos
- Vibración de alta frecuencia.
E) Químicos - Microvoladura. - Disolución. F) Eléctricos - Arco eléctrico. - Inducción Magnética. G) Sísmicos - Rayos Laser. H) Nucleares - Fusión. - Fisión. A pesar de la gran variedad de sistemas posibles de penetración de la roca, en minería y obras publicas, la perforación se realiza actualmente de una forma casi general, utilizando energía mecánica. Por este motivo, este curso estará orientado a los métodos mecánicos.
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Los componentes principales de un sistema de perforación de este tipo son: la perforadora que es la fuente de energía mecánica, la sarta de perforación que es el medio de transmisión de esa energía, los triconos y bit que son los que ejercen sobre la roca dicha energía y el fluido de barrido que efectúa la limpieza y evacuación de los detritus producido.
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TIPOLOGIA DE LOS TRABAJOS DE PERFORACION EN EL ARRANQUE CON EXPLOSIVOS. Dentro de la amplia variedad de los trabajos de excavación con explosivos, se han desarrollado un gran numero de maquinas que dan lugar a dos procedimientos de perforación: A) Perforación manual: Se lleva a acabo con equipos ligeros manejados a mano por los perforistas. Se utiliza en trabajos de pequeña envergadura donde por las dimensiones no es posible utilizar otras maquinas o no esta justificado económicamente su empleo. B) Perforación mecanizada : Los equipos de perforación van montados sobre unas estructuras, de tipo mecano, con las que el operador consigue controlar todos los parámetros de la perforación desde unas posiciones cómodas. Estas estructuras o chasis pueden ir montadas sobre neumáticos u orugas y ser automotrices o remolcables.
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Por otro lado, los tipos de trabajos, tanto en obras de superficies como subterráneas, pueden calificarse en los siguientes grupos: A) Perforación de banqueo: es el mejor método para la voladura de rocas ya que se dispone de un frente libre para la salida y proyección del material y permite una sistematización de las labores. Se utiliza tanto en proyectos de cielo abierto e interior con barrenos verticales, generalmente, y también horizontal, en algunos casos poco frecuentes. B) Perforación de avance de galerías y túneles: Se necesita abrir un hueco inicial o cuele hacia el que sale el resto de la rica fragmentada por las demás cargas. La perforación de los barrenos se puede llevar a cabo manualmente, pero la tendencia es hacia la mecanización total con el empleo de jumbos de uno o varios brazos.
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C) Perforación de producción: Este termino se utiliza en las explotaciones mineras principalmente subterráneas, para aquellas labores de extracción del mineral. Los equipos y los métodos varían según el sistema de explotación siendo un factor común el reducido espacio disponible en las galerías para efectuar los galenos. D) Perforación de chimeneas: en muchos proyectos subterráneos de minería y obra publica es preciso abrir chimeneas. Aunque existe una tendencia hacia la aplicación del método raise boring aun hoy se utiliza el método de barrenos largos y otros sistemas especiales de perforación combinados con las voladuras. E) Perforación de rocas con recubrimiento: la perforación de macizos rocosos sobre los que yacen lechos de materiales sin consolidar obligan a utilizar métodos especiales de perforación con entubado. También se emplean en los trabajos de perforación y voladuras submarinos. F) Sostenimiento de rocas: en muchas obras subterráneas y algunas a cielo abierto es necesario realizar el sostenimiento de las rocas mediante el bulonado o cementado de cables, siendo la perforación la fase previa en tales trabajos.
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Campos de aplicación de los diferentes métodos de perforación. Los dos grandes métodos mecánicos de perforación de roca son los roto percutivo y los rotativos. •
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Métodos rotopercutivo: son los mas utilizados en casi todos los tipos de roca, tanto si el martillo se sitúa en cabeza como en fondo del barreno. Métodos 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. Atendiendo la resistencia a compresión de las rocas y al diámetro de perforación, se pueden delimitar los campos de aplicación de los diferentes métodos tal como se refleja en la fig. 1.1 Por otro lado, según el tipo de trabajo que se realice en minería u obra publica los equipos que mas se utilizan y diámetros mas comunes para las voladuras en banco se recogen en la fig. 1.2. Del mismo modo, se reflejan en la fig. 1.3 los equipos mas frecuentes en los distintos métodos de minería subterránea y datos característicos de la perforación. Otros criterios que intervienen en la selección de los equipos de perforación son:
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Económicos, de diseño mecánico, mantenimiento y servicios, capacidad operativa, a la adaptabilidad a los equipos de las explotaciones y a las condiciones del área de trabajo, ( accesibilidad, tipo de roca, fuentes de energía, etc.). Clasificación de las rocas y propiedades físicas principales. La perforación de barrenos se realiza, casi en la totalidad de los casos, en masas rocosas, por lo que es interesante antes de iniciar una obra conocer los diferentes tipos de materiales que se presentan y sus propiedades básicas. Estas características de las rocas dependen en gran medida de su origen, por lo que a continuación se describen los 3 grandes grupos que existen: Clasificación de las rocas por su origen . Rocas ígneas, Metamórficas y sedimentarias, las cuales se verán en detalle en el siguiente sesión.
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Sesión 2: Clasificación de las rocas según su origen y principales propiedades.
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CAPITULO II 1.- La corteza terrestre. La corteza terrestre esta constituida por diferentes especies de rocas, las cuales están formadas de un compuesto químico o elemento mineral o mas ( frecuentemente mas de uno). Los minerales mas comunes que forman una roca son: cuarzo, calcita, feldespatos, horblenda, mica y clorita. Los minerales tienen diferentes durezas y normalmente son clasificados de acuerdo a la escala de durezas del 1 al10 ( escala de Mohs). Mienrales 1. Talco Fácilmente triturado entre los dedos. 2. Yeso Fácilmente rayado con la uña. 3. Calcita Mica Difícilmente rayada con la uña. 4. Florita Fácilmente rayada con una cuchilla. 5. Apatito Horblenda Eficazmente rayada con una cuchilla. 6. Feldespatos Difícilmente rayados con una cuchilla. 7. Cuarzo Raya el vidrio. Rayado con aceros especiales. 8. Topacio Raya el vidrio. Rayado con berilio. 9. Corindon Raya el vidrio. Rayado con diamante. 10. Diamante Raya el vidrio.
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Las diferentes especies de rocas son clasificadas en tres grupos. •
Rocas Volcánicas. Estas son formadas por masas o mantos de lava ( magma ) solidificados y cristalizados. Si un magma es solidificado lentamente y sometido a una presión alta, a gran profundidad, se forma una roca de cristales mayores y grano grueso como el granito, la monzonita, etc. Cuando un magma emerge mas próximo a la superficie de la tierra , en forma de lava, las masas se enfrían mas rápidamente y formaran una roca con granulación mas fina, como el basalto , pórfido y diabasa.
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Rocas í g neas: las rocas ígneas son las formadas por solidificación de una masa fundida, mezcla de materiales pétreos y de gases disueltos, denominada magma. Si la roca se a enfriado en contacto con el aire o el agua de las superficie terrestre, se le clasifica como roca ígnea “extrusiva” o volcánica. Cuando el magma se enfría por debajo de la superficie terrestre, se forma una roca ígnea “intrusiva” o plutónica.
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La velocidad de enfriamiento del magma da lugar a que los minerales cristalizados tengan tamaño de grano grandes si esta es lenta y pequeños si la velocidad es rápida. En el primer caso se forma una roca denominada pegmatita y en el segundo una aplita. Un caso intermedio lo constituye el pórfido, en la que se observan grandes cristales dentro de una masa o matriz de grano frino, los tres tipos se encuentran generalmente en forma de diques con potencias de uno a decenas de metros. El caso mas normal es el de una velocidad de enfriamiento moderadas, que da lugar a una roca masiva con un tamaño de grano medio, de uno a cinco mm.
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Durante el proceso de enfriamiento de una magma su composición varia, pues se produce una cristalización fraccionada, de acuerdo con la presión y temperatura de cada momento. También, el liquido residual puede reaccionar con los minerales ya solidificados y cambiar su contenido químico. Además, la composición química original de los magmas puede haber sido muy distinta. Las diferentes condiciones físicas y químicas que se dan durante la solidificación de una magma hacen que exista una gran variedad de rocas ígneas, estas están formadas por diferentes minerales, de diversos tamaños y agrupados de distintas formas, dando por resultado que sus características físicas y químicas sean muy heterogéneas. Por lo tanto, su comportamiento ante la fragmentación, corte, desgaste y meteorización, puede ser variada, aunque las rocas ígneas sin meteorizar, a efectos de su perforación son todas duras y compactas. Si la roca tiene un contenido en SiO2 superior al 62 %, geoquímicamente se le denomina acida, entre ese valor y el 52 % intermedia, entre 45 y 52 % básica, y finalmente con valores menores del 45% es ultra básica. En el mismo sentido que las rocas ígneas son mas pobres en sílice, a la vez son mas ricas en silicatos ferromagnecianos. Las acidas son mas abrasivas y duras que las básicas pero estas ultimas son mas densas y resistentes al impacto que las primeras.
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Rocas Sedimentarias. Las rocas sedimentarias se forman por la acumulación de restos o detritus de otras rocas preexistentes, por la precipitación química de minerales solubilizados o por la acumulación de restos de animales o vegetales. En el primer caso se producen los sedimentos detríticos como son las gravas, conglomerados y arenas en cuya precipitación interviene la gravedad. En el segundo se encuentran, por ejemplo, las evaporitas o rocas salinas precipitadas por la sobresaturación de una salmuera sometida a una intensa evaporación. Las terceras son las acumulaciones de conchas, esqueletos de animales o restos de plantas, como son las calizas conchíferas, los corales y el carbón. Este ultimo grupo se subdivide en bioquímicas organogenias y bioquímicas minerales, según que sus componentes sean de la química orgánica o de la inorgánica. En el primer caso están los carbones y el petróleo, y en el segundo las calizas, dolomías y rocas fosfáticas. En una primera clasificación de las rocas sedimentarias se tiene en cuenta su proceso de formación, después se consideran los tamaños de los granos, las características de la unión de los mismos, además de los tipos y cantidades de sus minerales componentes
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Las rocas sedimentarias están formadas por el material intemperizado de la corteza terrestre solida de la tierra, el mismo que con el tiempo se ha erosionado , ha sido transportado y sedimentado en las bocas de los ríos y sobre el fondo de mares prehistóricos. Ejemplos de rocas sedimentarias son : Areniscas, pizarras, calizas. Rocas Metamórficas. Las rocas metamórficas están formadas a partir de rocas volcánicas sedimentarias. La influencia de la presión, de la temperatura o del intercambio de elementos con el ambiente circundante transforma su estructura y composición. Las rocas metamórficas son las originadas por importantes transformaciones de los componentes mineralógicos de otras rocas preexistentes ,endógenas o exógenas. Estos grandes cambios se producen por la necesidad de estabilizarse sus minerales en unas nuevas condiciones de temperatura, presión y quimismo. Estas rocas son intermedias en sus características físicas y químicas entre las ígneas y las sedimentarias, pues presentan asociaciones de minerales que pertenecen a los dos tipos.
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Así se encuentran en ellas minerales, como el cuarzo, los feldespatos, las micas, los anfíboles, los piroxeos y los olivinos, esenciales en las rocas ígneas, pero no tienes feldespatoides. Como en las rocas sedimentarias, pueden tener calcita, dolomita, sílice y hematites, pero no tienen minerales evaporiticos. También, aparece en ellas minerales comunes a los dos tipos como son la turmalina, el zircón, la magnetita, el topacio y el Corindon. Todos ellos son minerales muy estables en cualquier medio exógeno o endógeno. 30
Existe una serie de minerales que son muy específicos de las rocas metamórficas, pudiendo formas parte de los granos de las rocas detríticas, debido a su estabilidad en los ambientes exógenos y otros son a la vez productos de alteración meteórica de minerales de rocas endógenas. Realmente la meteorización es un proceso de transformación mineralógica con carácter físico y químico pero a temperatura y presión bajas. Rocas Metamórficas
Origen.
Leptita, leptita – gneis
Lava volcánica
Gneis
Granito
Anfíboles
Diabasa, basalto
Cuarcita
Arenisca de cuarzo
Mármol o caliza cristalina
Calizas.
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Propiedades de las rocas que afectan a la perforación . Las principales propiedades físicas de las rocas que influyen en los mecanismos de penetración y consecuentemente en la elección del método de perforación: dureza resistencia, elasticidad, plasticidad, abrasividad, textura, estructura, características de rotura. Dureza: se entiende por dureza la resistencia de una capa superficial a la penetración en ella de otro cuerpo mas duro. en una roca es función de la dureza y composición de los granos minerales constituyentes, de la porosidad de la roca, del grado de humedad, etc. La dureza de las rocas es el principal tipo de resistencia a superar durante la perforación. Pues cuando se logra la penetración del útil el resto de las acciones se desarrollan mas fácilmente. Las rocas se clasifican en cuanto su dureza por medio de la “ escala de Mohs” , en la que se valora la posibilidad de que un mineral pueda rayar a todos los que tengan un número inferior al suyo tal como se refleja en la tabla 1.1. existe una cierta correlación entre la dureza y la resistencia a la compresión de las rocas. 35
Resistencia:
se llama resistencia mecánica de una roca a la propiedad de oponerse a su destrucción bajo una carga exterior, estática o dinámica. Las rocas oponen una resistencia máxima a la compresión; comúnmente, la resistencia a la tracción no pasa de un 10 a un 15% de la resistencia a la compresión. Eso se debe a la fragilidad de las rocas, a la gran cantidad de defectos locales e irregularidades que presentan y a la pequeña cohesión entre las partículas constituyentes. La resistencia de las rocas depende fundamentalmente de su composición mineralógica. Entre los minerales integrantes de las rocas el cuarzo es el mas solido, su resistencia supera los 500 Mpa, mientras que la de silicatos ferromagnesicos y los aluminosilicatos varían de 200 a 500 Mpa, y la de la calcita de 10 a 20 MPa. Por eso, conforme es mayor el contenido de cuarzo, por lo general, la resistencia aumenta. La resistencia de los minerales depende del tamaño de los cristales y disminuye con el aumento de estos. .
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Esta influencia es significativa cuando el tamaño de los cristales es inferior a 0.5mm. En las rocas la influencia del factor tamaño en la resistencia es menor, debido a que también intervienen las fuerzas de cohesión intercristalinas. Por ejemplo , la resistencia a la compresión de una arenisca arcosa de grano fino
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ESTRUCTURA. Las diferentes especies de roca pueden también ser clasificadas de acuerdo a su propia estructura. Si los granos de los minerales están mezclados en una masa homogénea, la roca es masiva, por ejemplo el granito. En una roca de especie laminada los granos de minerales están arreglados según capas o laminas. Perforabilidad – dureza – tamaño del grano – abrasividad. La perforabilidad de una roca depende, entre otras cosas de la dureza de los minerales incluidos y del tamaño de los granos de los mismos. El cuarzo es uno de los minerales formadores de roca mas común. Como el cuarzo es muy duro un alto contenido de cuarzo ( índice de dióxido de silicio) hará que la roca sea mas difícil de perforar ya que deriva un mayor desgaste en las herramientas de perforación. La roca en este caso es abrasiva. En contraste una roca con un alto contenido de calcita es fácilmente perforada y origina reducido desgaste de herramientas de perforación, en este caso la rocas es poco abrasiva.
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Características de los terrenos respecto a la perforabilidad. Los terrenos o rocas tienen numerosas propiedades tales como: - Composición química - Minerales constituyentes. - Resistencia a la compresión. - Abrasividad. - Dureza al impacto. - Consistencia. Las propiedades principales que afectan la perforabilidad son las que a continuación enumeramos. a ) Dureza : Tal como se indico, anteriormente esta directamente relacionado con la escala de Mohs, empleada en mineralogía. Puede clasificarse desde el mineral mas blando ( talco ) al mas duro ( diamante) b ) Resistencia a la compresión: Presión por unidad de superficie requerida para quebrar la roca o terreno. (Mpa ,Kg/ cm2 )
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c) Abrasividad: La capacidad de la roca o terreno a ser erosionada, por otros materiales. d)Consistencia : La disposición de la roca o terreno para resistir el desmenuzamiento.
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Resistencia compresiva. La resistencia compresiva de una roca es la medida que traduce la capacidad de una muestra de roca para resistir a una carga estática aplicada sobre ella ,hasta que la misma se quiebre. Esta magnitud a menudo es usada para medir la perforabilidad de la rocas. Si la estructura de la roca es de granulación gruesa, la perforación será mas fácil y abra menos abrasibidad, en comparación con una roca de una estructura de granulación fina. Consecuentemente, dos rocas con aproximadamente un mismo contenido de mineral pueden tener perforabilidades completamente distintas. La cuarcita, por ejemplo puede ser de granulación fina ( tamaño de los granos 0.5 – 1.0 mm ) o densa ( con granulación de 0.05 mm ), un granito puede ser de granulación gruesa ( 5 mm ) , media ( 1 – 5 mm ) o de granulación fina ( 0.5 – 1 mm).
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Resistencia compresiva. En la mayoría de los casos es difícil clasificar una especie de roca, de acuerdo a su perforabilidad, dependiendo muchas veces las definiciones de un criterio a otro. Una indicación razonable de perforabilidad de roca puede ser obtenida estudiando la composición mineralógica, la granulación y la estructura de la misma. Para poder proporcionar recomendaciones detalladas en cuanto a perforación, normalmente es una prueba necesaria en terreno.
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PRINCIPIO DE PERFORACION DE ROCAS. TIPOS DE ROCA.
YESO
CALIZA ARENISCA
GRANITO PIZARRAS
TACONITA CUARCITA
Resistencia Compresiva de la roca ( kg/cm^ 2) 500
1000
2000
2500
. 3000
4000
5000
Perforación por percusión. Perforación por rotación – triconos con insertos de metal duro (carburo de tungsteno) Perforación por rotación trituración- triconos con dientes de acero. Rotación y corte; auger Drills etc Rotación abrasiva
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