EQUIPOS DE PERFORACIÓN EN MINERÍA SUBTERRÁNEA
OBJETIVOS OBJETI OBJ ETIVO VO GEN GENERA ERAL: L:
Dar a conocer los diferentes tipos de maquinas perforadoras subterráneas, así como como,, des describ cribirir de man manera era esp especif ecifica ica los equ equipos ipos de per perfor forac ación ión subterránea mas usados en el Perú.
OBJETIVOS OBJET IVOS ESPEC ESPECÍFICO ÍFICOS: S:
Describir la mayor cantidad de equipos de perforación subterránea. subterránea. Dar a conocer las nuevas tendencias de perforación subterránea subterránea así como los equipos denominados tuneladoras. Describir de manera específica los equipos de perforación subterránea de avance frontal así como los de avance vertical e inclinado así como también determinar el costo de perforación. Dar a conocer las recomendaciones recomendaciones de uso e intervalos de mantenimiento mantenimiento
OBJETIVOS OBJETI OBJ ETIVO VO GEN GENERA ERAL: L:
Dar a conocer los diferentes tipos de maquinas perforadoras subterráneas, así como como,, des describ cribirir de man manera era esp especif ecifica ica los equ equipos ipos de per perfor forac ación ión subterránea mas usados en el Perú.
OBJETIVOS OBJET IVOS ESPEC ESPECÍFICO ÍFICOS: S:
Describir la mayor cantidad de equipos de perforación subterránea. subterránea. Dar a conocer las nuevas tendencias de perforación subterránea subterránea así como los equipos denominados tuneladoras. Describir de manera específica los equipos de perforación subterránea de avance frontal así como los de avance vertical e inclinado así como también determinar el costo de perforación. Dar a conocer las recomendaciones recomendaciones de uso e intervalos de mantenimiento mantenimiento
El Macizo Rocoso
Durant Dura nte e la et eta apa de Es Esttud udio io y con onst stru ruc cci ción ón de un pr proy oyec ectto de excavación, es de vital importancia contar con la información necesaria sobr so bre e la lass ca cara ract cter erís ísti tica cass lit litol ológ ógic icas as es estr truc uctu tura rale les, s, de lo loss es esfu fuer erzo zoss e hidrología de un macizo rocoso.
Tipo de roca que lo conforma.
Características
Estado de conserva
Estructura del macizo
Estructura del macizo rocoso: Diaclasado
Fragmentación de rocas
La fragmentación de rocas prácticamente es todo lo que ocurre sobre la corteza terrestre. El volumen de roca fragmentado por el hombre es mínimo comparado con lo producido por la propia naturaleza (geológicas, biológicas, entre otros). El hombre fragmenta la roca básicamente con dos propósitos: el aprovechamiento del material fragmentado (minas y canteras), y/o Disponer de un espacio libre en el seno del macizo rocoso (túneles, accesos subterráneos, depósitos, etc.). Propiedades de la roca que influyen en su fragmentación: • Dureza • Resistencia • Elasticidad • Plasticidad
Tipos de túneles
¿Por qué es importante la perforación?
Porque la perforación es la primera operación dentro del ciclo de operación de una mina. Su propósito es abrir en la roca huecos cilíndricos denominados taladros y están destinados a alojar al explosivo y sus accesorios iniciadores o para extraer el material (blando).
PERFORACIÓN
Este método de fragmentación de roca, se caracteriza por tener los siguientes elementos comunes: •Una fuente energía (perforadora, motores, pistones,
a
etc.).
•Un medio de transmisión de energía (varillaje, ejes,
b
fluidos, etc).
•Elementos de corte (brocas, discos, rodillos, explosivos
c
moldeados, cucharas, etc.).
•Evacuación de la roca fragmentada (agente de
d
barrido, scrapers, tornillos, mantles, cadenas, fajas, etc.).
Es el método
tificial má im
rt
te
Objetivos de la perforación
Clasificación:
Existen diferentes clasificaciones que se desarrollaran después pero las maquinas perforadoras se pueden agrupar en dos grandes grupos:
1
•Perforadoras de Roca blanda
2
•Perforadoras de Roca dura
Según el agente que lo impulsa •Eléctrico •Son rotativas y tienen motores de 3000 a 9000 RPM y se usa mayormente en minería a cielo abierto asi
como en los minadoras continuos. La ventaja en el consumo de energía es de 7 a 8 veces menor que en una perforadora neumática.
•Aire comprimido •Son perforadoras accionadas por aire comprimido y son bastante usados en la minería de pequeña
dimensión en perforación manual por su adaptabilidad, poco peso y maniobrabilidad.
•Hidráulica •El fluido actuante es un aceite de baja viscosidad que es impulsado por el motor bomba, a su vez es
accionado por energía eléctrica transmitido mediante cables eléctricos del Jumbo. El motor diésel del
Según la máquina
Perforación manual: Equipos ligeros operados por perforistas. Utilizados en trabajos de pequeña envergadura donde principalmente por dimensiones no es posible utilizar otras máquinas o no está justificado económicamente su empleo.
Perforación mecanizada: Los equipos de perforación van montados sobre una estructuras (orugas), donde el operador controla en forma cómoda todos los
Según el método de perforación
Percusores: Es el mecanismo que fragmenta a la roca por pura percusión. Se emplea básicamente para hacer rebajes (patillado), excavar rocas de baja dureza, desmenuzar fragmentos sobredimensionados, romper pavimentos.
Rotopercutivos: Muy utilizados en labores subterráneas y trabajos menores en minería a cielo abierto (precorte), tanto si el martillo se sitúa en cabeza como en
Rotativos: Se subdividen en dos grupos, según la penetración se realice por trituración (triconos) o por corte (brocas especiales). El primer sistema se aplica en rocas de dureza media a alta y el segundo en rocas blandas.
DE MINADO CONTINUO: A diferencia de los métodos de perforación antes indicados, cuya ejecución es básicamente para alojar explosivos para hacer voladuras; este método de perforación produce el arranque de la roca en distintas formas y secciones, sin requerir la intervención de la energía explosiva para fragmentar la roca. Además, en forma simultánea y continua realiza la operación de carguío y acarreo. Dentro de este grupo, se encuentran los siguientes minadores continuos: las máquinas tuneleras a sección completa (TBM), mobile miner, roadheader, raise boring, shaft boring, borpak, y las rozadoras para minas de carbón.
Según el tipo de trabajo
Perforación de banqueo: Perforaciones verticales o inclinadas utilizadas preferentemente en proyectos a cielo abierto y minería subterránea (L.B.H.). Perforación de avance de galerías y túneles: Perforaciones preferentemente horizontales llevadas a cabo en forma manual o en forma mecanizada (jumbos).
Perforación de producción: Término utilizado en las explotaciones mineras a trabajos de extracción de mineral (estéril). Los equipos y métodos varían según el sistema de explotación. Perforación de chimeneas: Labores verticales muy utilizadas en minería subterránea y obras civiles. Se utilizan métodos de perforación especiales, entre los cuales destacan el método Raise Boring y la jaula trepadora Alimak.
Según su peso
Perf. Ligeras: Perf. Medianas: Perf. Pesadas:
MANUAL Menos de 18 Kg. 18 a 30 Kg. Mas de 30 Kg.
SOBRE JUMBO Menos de 90 Kg. 91 a 150 Kg. 151 a mas Kg.
PERFORADORAS DE ROCA BLANDA
MINADOR CONTINUO (Continuos Miner):
Estos equipos que constan básicamente de una rueda giratoria en posición horizontal y en cuya periferia van montados los elementos de corte tipo disco y/o rodillo. Este equipo está montado sobre orugas y su aplicación propiamente es en la explotación de minas cuyo macizo rocoso es blando y básicamente en el método de “cámaras y pilares” (Robbins 1992). Sin embargo, por el tipo de excavación que realizan, horizontales o subhorizontales, se les puede considerar dentro del grupo de los minadores de túneles.
Video: Minadores Continuos
CABEZAL ROZADOR (Road header )
Es un minador continuo diseñado para excavar terrenos relativamente suaves. Son equipos montados sobre orugas y con cabezal cortante de dimensiones muy inferiores a la sección de la excavación y con configuraciones diversas (helicoidales, tambores simples o dobles, etc.). Atacan el frente con movimientos de escariado, es decir, por ensanchamiento de la excavación. El avance en la dirección del túnel no es continuo, su empleo tiene éxito en terrenos relativamente suaves. Los ingleses lo bautizaron con el nombre de “ROAD-HEADER” (White 1987).
MAQUINA CHIMENERA (Raise boring machine):
Llamado también Raise Drilling, son equipos que excavan chimeneas entre uno o más niveles, la primera máquina se introdujo por la década de los 60, su principal ventaja radica en la seguridad para el personal, dado que no requiere personal dentro de la excavación. Actualmente, se tienen diámetros hasta de 6 m y profundidades hasta 1 000 m.
MAQUINA PARA LA EXCAVACIÓN DE POZOS (Shaft Boring Machine):
Por la década de los años 1920, se perforaron los primeros pozos con un minador continuo en algunas minas de carbón en Alemania y Holanda, pero su aplicación se daba únicamente cuando las condiciones eran muy adversas; luego fue sustituido por el sistema de congelación. El diámetro de la excavación, varía entre 1,5 a 8 m. La máxima profundidad alcanzada hasta ahora con este sistema, es de 2 000m. Las dimensiones de estos equipos son imponentes, accionados por motores diésel - eléctricos con una potencia instalada de por lo menos de 3 000 HP.
BORPAK (BP):
Este minador continuo en sí, es un micro “TBM”, como tal, se fijan a las paredes de la excavación mediante grippers y avanzan en forma intermitente.
ROZADORAS PARA MINAS DE CARBÓN (Shearer):
Diseñado para la explotación de las minas de carbón. Porta un cabezal similar al de roadheader, con la diferencia que el chasis se desplaza sobre rieles, mientras que los roadheader sobre orugas. El cabezal corta y desplaza el material a una cadena que corre por la base, el mismo que lo transporta hasta un determinado punto, de donde se transporta hasta su destino final, normalmente mediante fajas.
MÁQUINAS TUNELERAS A SECCION COMPLETA (Tunnel Boring Machine, TBM):
Estas máquinas están diseñadas exclusivamente para la excavación de túneles. Entre 1995 y 1996, se aplicó exitosamente en minería uno de estas máquinas para desarrollar la mina Lower Kalamazoo de Magma Cooper en Arizona, U.S.A, para su explotación por Block Caving, donde excavó un circuito entre galerías, rampas, cruceros, etc. La designación de las “TBMs” es de acuerdo al diámetro del cabezal, en la actualidad se tienen hasta más de 15 m.
Las máquinas tuneleras tipo “TBM”, se diferencian de los minadores continuos y de los cabezales rotatorios, porque realizan la excavación a sección completa y de forma circular, y no por ensanchamiento por penduleo (mobile miner) o escariado (roadheaders). Las características de la roca que limitan el funcionamiento de estas máquinas, son, como límite superior, la resistencia a compresión simple y el contenido de cuarzo, y como límite inferior, la sostenibilidad del terreno durante la excavación y su resistencia para que los grippers se puedan apoyar.
Partes Principales:
Video: Tuneladora de doble escudo
Tipos de TBM:
TIPO KELLY (KELLY – TYPE TBM): Las máquinas tuneleras tipo Kelly tienen 4mordazas (grippers) y las unidades de accionamiento en el extremo. Estas máquinas están diseñadas para excavar rocas muy duras, como tal están equipados con alta potencia de corte en el cabezal y empuje. CON VIGA PRINCIPAL (MEAN BEAM TBM): Las “TBMs” de viga principal, tienen 2 grippers, una zapata de soporte debajo del cabezal con estabilizadores laterales y un soporte activo del techo. Emplean unidades de accionamiento frontal, lo cual permite un control continuo
TBM DE DOBLE ESCUDO (DOUBLE SHIELD TBM):Una “TBM” de doble escudo puede usar su gripper en roca buena, convirtiéndose prácticamente en una “TBM” descubierta. Simultáneamente a la excavación se pueden instalar los elementos de revestimiento. El avance depende del tiempo que demanda la instalación del revestimiento. Cuando los grippers no pueden usarse debido a las pésimas condiciones de terreno, los cilindros auxiliares de empuje pueden activarse para la reacción del empuje y el torque. El instalador de segmentos está ubicado dentro del escudo de cola.
TBM DE SIMPLE ESCUDO (SINGLE SHIELD TBM): Una “TBM” de simple escudo usa únicamente el
revestimiento para la propulsión y la reacción del torque, y se aplican principalmente en formaciones deleznables donde se requiere revestimiento. Están diseñadas para excavar roca dura, fracturada y también terrenos deleznables; es decir, tienen la misma capacidad de trabajo que las “TBMs” descubiertas.
TBM DE ESCUDO EBP (EPB SHIELD TBM): Las “TBM EPB” – EARTHPRESSURE BALANCE – son tuneleras de simple escudo, para excavar terrenos donde se esperan grandes flujos de agua o subsidencias. Estas máquinas deben soportar altas presiones de
Comparación entre perforación convencional y TBM
Se debe ir mas rápido, en el macizo adecuado (túnel de 9m de diámetro, L=10 km)
¿Cómo determinamos si es una opción económica?
Aplicamos la siguiente regla práctica:
Si el resultado de la ecuación es mayor que 1.5 una TBM sera una opción acertada para la excavación. Largo 8,000 m, Diámetro 4 m, Resistencia del material:150 MPa 8000/(4x(150,000,000)^1/3)=3,5
PERFORADORAS DE ROCA DURA
Jumbo Hidráulico
Un Jumbo Hidráulico es un equipo de bajo perfil diseñado sobre todo para realizar trabajos en mina subsuelo o en zonas confinadas. El Jumbo Hidráulico se diseña para perforar frentes o tajeos en mina subsuelo. La longitud de perforación es bastante variable.
¿Dónde se necesita un Jumbo Hidráulico mayormente? Los Jumbo Hidráulicos son principalmente necesarios en labores de subsuelo, debido al tamaño limitado de las labores. El trabajo de perforación en mina subsuelo implica que el equipo no puede ser muy grande para que pueda ingresar a las galerías mas pequeñas de
Teoría de la Perforación Rotopercutiva
En general podemos considerar la perforación de rocas como una combinación de las siguientes acciones: Percusión: Impactos producidos por los golpes del pistón originan ondas de choque que se transmiten a la broca a través del varillaje. Rotación: Con este movimiento se hace girar la broca para que los impactos se produzcan sobre la roca en distintas posiciones. Empuje: Para mantener en contacto la broca con la roca. Barrido: Fluido de barrido que permite extraer el detrito del fondo de la perforación.
Evolución de los jumbos de avance frontal a través del tiempo
Partes de un Jumbo Hidráulico de avance Frontal
Video Sandvick DT922i
Viga de Avance
Soporta y dirige a la perforadora así como también sirve de guía a los barrenos. Recibe las fuerzas de impacto de la perforadora.
A.- Long.Barra B.- Perf.efectiva C.- Long. Viga
Perforadora
Son maquinas destinadas para la ejecución de taladrados (hole) en la roca o mineral, los cuales posteriormente serán volados mediante la acción de los explosivos o permanecerán intactos de acuerdo al uso que se le destina .
Accsesorios y brocas de perforación:
Las barrenas integrales son designadas H19, H22 y H25, donde H indica la barra hexagonal y los números la dimensión en mm., medida entre las dos caras opuestas del hexágono.
Las brocas fabricada de acero al carburo de tungsteno de alta calidad, se mecaniza con precisión para obtener un cuerpo perfecto. Después son sometidas a tratamiento térmico para obtener la dureza adecuada y son de diferentes clases como las brocas roscables de botones con Ø de 38 hasta 127 mm. y los barrenos de extension con longitudes de 6 ’ hasta 18’ y con Ø variables.
Sistemas de Control de perforación:
Atlas Copco RCS (Rig Control Sistem) antes ABC. Sanvick Intelligent Control System Architecture (SICA).
ABC Basic
ABC Regular
ABC Total
Video: Sandvick DD422i
Después de Perforar
Zonas de carga de explosivos
Tipos de explosivos
Tipo de explosivo que funciona en forma segura, ambientalmente factible y económicamente conveniente
ATLAS COPCO BOOMER XE4C
Cuatro brazos hidráulicos para equipos de perforación con una consola confiable, sistema de perforación controlado por computadora equipado con perforadoras de trabajo pesado COP3038 para alta productividad de hasta 450 metros x hr.
Especificaciones:
Dimensiones:
Sandvick DD53 I-S60C
Especificaciones:
Dimensiones:
Jumbo Hidráulico de Banqueo
Usados para perforación vertical superior de agujeros, ajuste de pernos de roca, construcción de galerías, etc. Estas maquinas deben contar con protección FOPS y ROPS para salvaguardar la integridad del operador.
ATLAS COPCO SIMBA M6C
Equipo de producción para agujeros de largo taladrado equipado con un taladro de avance superior. El sistema Rig Control Sistem (RCS) provee eficiencia y alta precisión para perforaciones de largo avance. El equipo funciona en una gran variedad de inclinaciones descritas posteriormente.
Especificaciones:
Dimensiones:
Video: Sandvick DL431, Automatización de Perforación de Banqueo
Sistemas de control a distancia
Modelo de Calculo Para jumbos de avance frontal (Ver hoja de Excel) V_p=Velocidad de penetración (m/s) N=Numero de botones de la broca V=Volúmen de la roca arrancada según ensayo de acuñado (m) F=Frecuencia de impacto del pistón (golpes/s)
=
4 ∗ ∗ ∗
D=Diámetro de la broca (m)
N=Rendimiento del equipo (m/hora) H=Profundidad del taladro (m) Nb=Numero de brazos E=Eficiencia del operador (%) Tp=Tiempo de posicionamiento del equipo (min)
=
60 ∗ ∗ ∗ ( + + )
Recomendaciones de Operación y Mantenimiento
Recomendaciones antes de conducir el Jumbo:
Siempre use sus EPPS.
Revisar la altura adecuada del techo de seguridad.
Revisar los niveles de aceite del tanque hidráulico y lubricador central ; agregue de ser necesario.
Antes del arranque del motor tener en cuenta lo siguiente:
Revisar si los otros procedimientos de mantenimiento se han ejecutado.
La transmisión en neutral. La válvula selectora de control del brazo hidráulico en la posición adecuada.
Mover el brazo a la posición de manejo, rotar la viga de avance sobre el brazo y baje el extremo posterior contra el brazo. Mover el extensor, viga de avance y la perforadora a la posición posterior. Antes de operar verificar que el freno de parqueo esté funcionando perfectamente.
Recomendaciones al conducir
Cuando arranque realice la prueba de verificación de los frenos de servicio inmediatamente. Use protector de oídos cuando sea necesario.
• No esta permitido llevar
pasajeros.
CONDUCIR EL JUMBO CON EL CABLE
Asegúrese que el cable está apropiadamente fijado, y que el tapón y el enchufe esten limpio para evitar el daño a ellos.
• Observe la longitud del cable. • Verifique la tensión y la longitud del cable
al manejar hacia la ubicación de trabajo.
Mover el brazo a la posición de manejo, rotar la viga de avance sobre el brazo y baje el extremo posterior contra el brazo. Mover el extensor, viga de avance y la perforadora a la posición posterior. • Antes de operar verificar que el freno de parqueo esté funcionando
perfectamente.
MEDIDAS A SER LLEVADAS A CABO ANTES DE PERFORAR
Estacionar el jumbo a una distancia adecuada del frente de perforación.
Apagar el motor diesel.
Aplicar el freno de parqueo.
Conectar el interruptor principal de corriente y el de luces. Revisar el lugar de perforación, que exista una visión adecuada y el techo de la galería este segura. Conectar la manguera de aire cuando sea necesario.
• Conectar la manguera de agua. Antes se debe limpiar
las mangueras para abrir las líneas de alimentación.
Arrancar la bomba de agua y el compresor. Revisar que los controles de operación y el panel de control estén en la posición central (neutro) y las perillas de parada de emergencia estén en la posición aplicado. Arrancar el Sistema hidráulico, presionando el botón de arranque (start). (S105) Utilizando las gatas ubicar el jumbo paralelamente al eje axial del túnel. Posicionar la viga de avance paralela con el eje de rotación del brazo, para ello es posible utilizar el sistema de paralelismo automático. Ver la malla de perforación a utilizar y revisar la secuencia de los taladros a perforar.
• Usando el cilindro de extensión de la viga
de avance posicionarlo contra la roca.
Empezando a perforar
Coloque las palancas de rotación (Lr), percusión (Lh)
Y la de avance (Lf) a la posición de perforación.
Abra la inyección de agua con la palanca (Law)
• Revise la rotación de la perforadora lejos de ella.
El agua debe fluir libremente a través del barreno de la perforadora.
La presión recomendada de trabajo es:
De 5 – 15 bar.
Cuando la broca este penetrando en la roca un poco, entonces usted puede aplicar todo el poder de perforación adelante. La percusión y el avance estarán operando ahora a todo el poder posible.
Revise que el barreno está en el medio de los centralizadores. Ajuste la posición de la viga de avance cuando sea necesario.
• Ajuste la posición de la viga de avance cuando sea
necesario.
Cuidados a tener en cuenta
La fuerza del avance excesiva fatiga a ambos: el equipo de perforación y la perforadora.
• Usando el cilindro de extensión de la viga
de avance posicionarlo contra la roca.
Ajuste la correcta alineación del barreno, en el emboquillado, y las conexas y los rodamientos deben girar rápidamente. Preste atención a los movimientos (el carro de perforadora / el avance).
Cambie las brocas bastante a menudo. Trabajar con brocas en mal estado solamente nos dará como resultado un mayor esfuerzo de nuestra perforadora y de nuestro equipo de perforación.
Obs Obser erve ve la te temp mpera eratu tura ra de dell ac aceit eite, e, in incr crem emen ente te el flflujo ujo de ag agua ua de enfr en fria iami mien ento to ab abririen endo do má máss la vá válv lvul ula a by by-p -pas asss si es ne nece cesa saririo. o. La temperatura de operación recomendada debe estar en el rango de 40 500C.
• Observar que la perforadora y las
mangueras tienen las correderas libres para moverse en cualquier dirección durante el trabajo de perforación.
Con las medidas siguientes usted puede reducir los problemas inesperados y puede mejorar la eficacia de la perforación. Tenga cuidado de la lubricación del brazo hidráulico y de la viga de avance.
• Revisar el ajuste de los pernos.
Intervalos de servicio en horas de percusión.
Cada 10 Hrs.
Cada 50 Hrs.
Cada 250 Hrs.
Cada 1000 hrs.
Cada 500 Hrs.
Intervalo de servicio en horas de funcionamiento del motor
Cada 10 hrs.
Cada 250 Hrs.
Conclusiones
El uso de las maquinas tuneladoras se destina principalmente a la elaboración de túneles debido a que estas maquinas tienen un radio de giro extremadamente elevado siendo un inconveniente en cierto tipo de minas; siendo descartada (con una formula practica), la creencia que una TBM solo es viable para macizos rocosos blandos. El uso de Minadores Continuos se extiende generalmente en minas de Sal así como también en minas de carbón. El uso de Jumbos de Banqueo se acentúa debido a que si se realiza una voladura en el “techo” las rocas por su propio peso se trituran y se ahorra en la etapa de chancado. Cada vez mas se mejora la automatización en las tareas de perforación, permitiendo hacer así agujeros orientados en forma precisa para provocar así una voladura mas eficiente.
