MONOGRAFIACriterios de Selección de Perforadoras en Minería Subterranea

UNIVERSIDAD NACIONAL MICAELA BASTIDAS DE APURIMAC FACULTAD DE INGENIERÍA ESCUELA ACADEMICO PROFESIONAL DE INGENIERIA DE MINAS

FORMANDO LÍDERES POSTMODERNOS


DEDICATORIA.

Por el constante aliento y actitud de superación en nuestros objetivos para seguir manteniendo como una característica constante nuestro deseo de superación en nuestra formación profesional.



INDICE

DEDICATORIA. ................................................... ..................................................... ........................................................... ...... 1 INDICE................................................ ...................................................... ............................................................................. ....................... 2 INTRODUCCION ................................................. ..........Error! Bookmark not defined. TIPOS DE UNIDADES DE PERFORACION .............. Error! Bookmark not defined. PERFORADORAS LIVIANAS ..................................... Error! Bookmark not defined. TIPOS DE PERFORADORAS DE PRODUCCION Y DESARROLLO ............. Error! Bookmark not defined.

VELOCIDAD DE

PERFORACION PARA PERFORADORAS ROTATIVAS Y

PERCUTIVAS ..................................................... .......................................................................................................... ......................................................... .... 17 COSTO DE PERFORACION – CRITERIO CRITERIO ECONOMICO ......................................... 18 SOLUCION PARA LA PERFORADORA DE TALADROS LARGOS. LARGOS . ..................... 23 IMPACTO DE

LA SELECCIÓN DE LA PERFORADORA EN LOS COSTOS

TOTALES ...................................................................................................................... 25 MANTENIMINETO DE EQUIPOS ................................................ .............................. 28 CONCLUCIONES Y RECOMENDACIONES ........................................................... 29

BIBLIOGRAFIA

……………………………………………………………………29.



INTRODUCCIÓN La perforación es una técnica aplicable a la extracción de roca en terrenos competentes, donde los medios mecánicos no son aplicables de una manera rentable. Así, partiendo de esta definición, este método es aplicable a cualquier método de explotación, bien en minería, bien en obra civil, donde sea necesario un movimiento de tierras. La técnica de perforación y voladura se basa en la ejecución de perforaciones en la roca, donde posteriormente se colocarán explosivos que, mediante su detonación, transmiten la energía necesaria para la fragmentación del macizo rocoso a explotar. De esta forma, se tienen dos tecnologías claramente diferenciadas: la tecnología de la perforación y la tecnología de diseño y ejecución de voladuras. Las técnicas de perforación, además de la aplicación a la ejecución de perforaciones para voladuras, se emplean para multitud de aplicaciones, como puede ser la exploración, drenajes, sostenimiento, etc. La perforación en roca ha ido evolucionando con el tiempo con la incorporación y empleo de diferentes tecnologías, aunque muchas han ido cayendo en desuso, bien por la eficiencia conseguida, o bien por otros condicionantes externos (económicos, medioambientales, etc.). Las más empleadas y desarrolladas se basan en sistemas de perforación mecánicos, conocidos como sistemas de perforación “a rotación” y “a percusión” . Son estos métodos, cuya eficacia se enmarca en energías específicas por debajo de los 1.000 J/cm3.

OBJETIVO



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La finalidad de esta monografía es tratar de conocer las herramientas y técnicas, conceptuales y de diseño para poder decidir sobre el método y equipo de perforación que incremente la productividad de las operaciones en mina. La perforación de roca es un procedimiento fundamental fundamental para arrancar el material en la minería subterránea. La perforación tiene tiene una gama de aplicaciones extensa y variable, por eso hoy se tiene distintos equipos diseñados para tratar con distintas maneras de perforar roca. La perforación de rocas en minería subterránea se efectúa principalmente para: Labores de Preparación y desarrollo. Labores de producción.

MARCO TEORICO TIPOS DE UNIDADES DE PERFORACIÓN Clasificación de equipos

TIPOS DE PERFORADORAS LIVIANAS FORMANDO LÍDERES POSTMODERNOS


JACK HAMMER

Utilizada para la perforación vertical o inclinada hacia abajo. 

Avance mediante el peso propio de la perforadora. consumo de aire: 50 – 100 l/s

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diámetro perforación: 22 – 45 mm

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longitudes: 400 – 640 mm

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CARACTERÍSTICAS PRINCIPALES 

Peso: 17kg a 23 kg

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Frecuencia: 2040 a 2100 2100 golpes por minuto

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Rotación: 130 a 170 rpm

VENTAJAS:



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Para rocas duras no muy permeables

DESVENTAJAS 

Alto nivel sonoro

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Desvió de la perforación por la flexibilidad del varillaje

JACKLEG Perforadora con pata de avance que puede ser usada para realizar taladros horizontales e inclinados, se usa mayormente para la construcción de galerías, subniveles, rampas

CARACTERÍSTICAS PRINCIPALES

Especificaciones Longitud de la perforadora Peso de la perforadora Carrera del pistón Carrera útil del pistón Frecuencia de impacto Peso de la Pata Carrera de la pata de avance Ø interior del cilindro de avance Consumo de aire (620 kPa/90 psi)

686.00 mm 33.00 kg 73.25 mm 66.70 mm 2250.00 golpes/min 15.00 kg 270.00 mm 67.00 mm 4.90 m3

VENTAJAS  

Fácil de usar. Útil para perforación de tiros cortos.



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Rápida mantención. Bajo precio. Adaptable a cualquier tipo de roca. Se adopta a cualquier tipo de terreno.

DESVENTAJAS    

Peligro al no controlar bien la válvula de circuito de aire No recomendable para tiros largos perforación ruidosa, contacto directo con el polvo polvo y agua Limitante con la la altura altura de la sección sección

STOPPER

Perforadora que se emplea para la construcción de chimeneas y tajeo en labores de explotación (perforación vertical hacia arriba). Características principales Especificaciones Diámetro del cilindro 79.40 mm Carrera del pistón 73.25 mm Carrera útil del pistón 66.70 mm Frecuencia de impacto 2250.00 gol/min Longitud de la perforadora 1549.00 mm Peso incluyendo la pata de avance 40.80 kg Diámetro interior del cilindro avance 69.80 mm Consumo de aire (620 kPa/90 psi) 4.90 m3 TIPOS DE PERFORADORA AVANCE Y DESARROLLO FORMANDO LÍDERES POSTMODERNOS


JUMBOS 

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Son vehículos donde se colocan 1 o mas perforadoras hidráulicas que pueden ser operadas por una sola persona en la cabina o a control remoto. Estos están diseñados para perforar horizontalmente tanto en frontones como en tajeo. El accionamiento de las bombas hidráulicas de las perforadoras puede ser mediante energía eléctrica o generada por un motor diesel. Pueden estar montados sobre rieles o sobre ruedas. La sección de trabajo va desde los 6 a 210 metros cuadrados dependiendo de la cantidad de perforadoras instaladas sobre la unidad móvíl.



TIPOS DE PERFORADORA PRODUCCIÓN

PERFORADORAS HORIZONTALES En producción los jumbos permiten la mecanización de las operaciones de perforación y tienen la capacidad de posesionar perforadoras de avance para perforar barrenos según las órdenes del operario



PERFORADORAS RADIALES JUMBO RADIAL    

Pueden tener Perforadoras Neumáticas o Hidráulicas tipo martillo martillo en la cabeza (OTH) o perforadoras tipo Down the Hole (DTH) Están montadas sobre vehículos o son estacionarios, tienen carruseles que permiten el cambio de barrenos. Rendimiento en condiciones óptimas es de 6000 a 8000 8000 mts. mensuales barrenados. Utilizado principalmente en minería minería subterránea para realizar taladros largos en forma radial, generalmente desde una galería o labor inferior

PERFORADORAS DE TALADROS LARGOS   

Este tipo de perforadoras se usan para realizar taladros verticales hacia abajo y pueden ser del Martillo en la cabeza OTH o DTH. La perforadora DTH permite la perforación de barrenos mucho más largos que las perforadoras con martillo en cabeza. Existen perforadoras neúmaticas tipo track drill e hidráulicas tipo rock drill.

TIPOS DE PERFORADOR TALADROS LARGOS



PERFORADORAS OTH     

Están montados sobre vehículos vehículos de orugas Pueden tener martillos martillos neumáticos o hidráulicos Perforan diámetros entre 64-102 mm. mm. Contienen carruseles para barrenos y logran logran perforar hasta 50 m Máxima inclinación de trabajo: 30°

PERFORADORAS DTH      

Se usan en minería subterránea en el área de producción. Diámetro de perforación entre 50 y 210 mm. Montado sobre orugas , tienen una velocidad de traslado entre 1 y 3.8 km/hr Capacidad de trabajar en zonas irregulares y vencer pendientes. Barrido del barreno (agua o aire). Poseen martillo en fondo. Este Este método de perforación está indicado para rocas duras y diámetros superiores a los 150 mm.

MÉTODOS DE PERFORACIÓN



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La perforación en roca esta referida a realizar un hoyo o taladro con el fin de arrancar material para construir (túneles, cámaras, pozos, etc.) o extraer materiales y minerales económicos (minería) Existen muchos métodos de perforación que se han desarrollado a lo largo de la historia, en el cuadro siguiente se ven los métodos usados actualmente

MÉTODO ROTACIÓN PERCUSIÓN 

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La perforación de rotación y percusión se basa en principio de golpear (percutir) un cincel (broca), empujando y girando (rotar), para que se produzca la rotura de la roca en pequeños fragmentos (detritus) que se van limpiando y se forma el hoyo. En la actualidad este trabajo se hace con máquinas máquinas que aceleran el proceso de penetración en la roca.



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La transmisión de la energía cinética (Ec) en perforadoras OTH se hace en forma de onda de choque a través del varillaje , cuando la onda de choque llega a la broca se convierte en trabajo que penetra la roca. En el caso de perforadoras DTH la la transmisión de la Energía cinética es directa, con lo cual se logra mayor penetración en rocas duras.

Esta energía cinética de una perforadora RP se puede calcular con la siguiente fórmula: Ec= ρm* Ap * Ip

Donde: ρm =Presión de fluido dentro del cilindro (30% a 40% menor que la presión de trabajo nominal o del compresor) Ap = Área de la cara del pistón lp =Carrera del pistón ng =frecuencia de impactos La potencia CINETICA del martillo o perforadora es Pc = Ec * ng La rotación, que se produce después de cada golpe o percusión, tiene la finalidad de girar la broca con el propósito de que esta actúe en distintos puntos en el fondo del barreno. 

La velocidad de rotación esta en función al tipo tipo de roca y al tipo de broca que se utiliza.

Ejemplo (brocas de 51mm a 89mm) 

cuando la brocas son de tipo pastilla pastilla los rpm están entre 80- 150 y se produce un giro de 10- 20°



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Cuando son brocas de botones los rpm están entre 40-60 y se produce un giro de 5- 7°

PARA HALLAR EL CAUDAL DE BARRIDO SE USA LAS SIGUIENTES FORMULAS:    

 

Q=va 

 

  

Donde: va = velocidad ascensional (m/s) Q = caudal (m3/min) D = diámetro broca (m) d = diámetro barreno(m) dr = densidad de la roca (gr/cm3) dp= diámetro de detrito (mm)

CASO PRACTICO 1 Calcular la Energía cinética (Ec) y Potencia (Pc) de un perforadora hidráulica de que tiene las siguientes características: FORMANDO LÍDERES POSTMODERNOS


Presión de trabajo (ρm) = 200 bar

Carrera del pistón (Ip) = 80 mm Diámetro del pistón (Øp) = 60 mm Frecuencia de impacto(Ng)= 80 Hz Solucion: Ec= ρm* Ap * Ip

Para solucionar este problema debemos convertir ρm de bar a Kg -f/m², esto

porque lp y Øp los expresamos en m. Ap = 2= 3.1416(60/2)²= 2827 mm² 1 bar = 10 197.16 kg-f/m² entonces 200 bares = 2 039 432.5 432.5 kg-f/m² Remplazamos en Ec. Ec = (2 039432.5 kg-f/m² * 0.65) * 0.002827 m² * 0.80 m= 2298.50 kgf- m Hallamos la energía o potencia de impacto (Pi) en KW Si, 1 kgf-m = 0.009806 KW

Ec = Pi = 29,43 KW. Potencia cinética Pc = Ec*ng = 2298.5 *80 = 183 880 kgf-m Si 1 kgf-m = 0.00000272 KW/hr. Pc= 0.50 KW/hr.

MÉTODO ROTATIVO DE PERFORACIÓN  

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Este método utiliza utiliza solo la rotación para romper la roca, para logar esto se necesita que el empuje sea muy considerable. El empuje mínimo mínimo (lb.) está en función a la resistencia resistencia a la compresión de la roca (RC en Mpa.) y al diámetro de la broca (D en pulg.)

Em = 28,5 * RC* D Este gran empuje se puede obtener del peso de la perforadora o un sistema hidráulico capaz de presionar la broca lo suficiente para que escarie la roca.



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La perforación se realiza con brocas diseñadas para cada aplicación. En minería se usa los triconos, que son un sistema de tres brocas cónicas que actúan (rotan) independientemente generando mejor penetración en la roca. La velocidad de rotación está en función a la dureza de la roca y el tipo tipo de triconos (Dientes de acero o insertos de carburo)

CASO PRACTICO Se quiere determinar el empuje mínimo necesario para perforar una roca de 210 Mpa de resistencia a la compresión con una perforadora rotativa con broca de 4 pulgadas. solución: Em = 28,5 * RC* D Em = 28,5 * 200* 4 Em = 22, 800 Lb.

VELOCIDAD DE PENETRACIÓN La velocidad de penetración en roca depende de muchos factores externos como:



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Estos factores hacen que el calculo de la velocidad de perforación sea complicado. Todos los fabricantes de perforadora elaboran ábacos para poder tener tener una aproximación a la velocidad de penetración con ciertos supuestos geológicos. También se han planteado formulas empíricas, estas generalmente se usan para el diseño y requerimiento de perforadoras.

VELOCIDAD DE PERFORACIÓN PARA PERFORADORAS ROTACIÓN PERCUSIÓN La fórmula empírica para hallar la velocidad de penetración en perforadoras RP es:          

DONDE : Pi =potencia impacto en KW D =diámetro de taladro en mm

CASO PRACTICO Calcular la velocidad de penetración en roca dura y suave de un martillo hidráulico que tiene las siguientes características: 

Presión de trabajo alcanzada (ρm) = 180 bar para roca suave



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Presión de trabajo alcanzada (ρm) = 150 bar para roca dura

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Carrera del pistón (Ip) Diámetro del pistón (Øp) Frecuencia de impacto(Ng) Diámetros de la broca

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= 450 mm = 60 mm = 102 Hz = 45 mm a 64 mm

Solución: Ec= ρm* Ap * Ip

Determinamos

Ap = 3.1416 (30/2)² = 706.86 mm

ROCA SUAVE Convertimos presión a kg-f/m² = 180 bar * 10 197.16 = 1 835 489.2 kg-f/m² Ap = =2 = 2827 mm² = 0.002827 m² Remplazamos en Ec. Ec = (1 835 489.2 kg-f/m² * 0.65) * 0.002827m² * 0.450 m = 1518 kg-f.m Convertimos esta energía a Kw si, 1 Kkgf-m = 0.009806 Kw Ec = Pi = 15 KW.

ROCA DURA Convertimos presión a kg-f/m² = 150 bar * 10 197.16 = 1 529 574 kg-f/m² Ap =  =2 = 2827 mm² = 0.002827 m² Remplazamos en Ec. Ec = (1 529 574 kg-f/m² * 0.65) * 0.002827m² * 0.450 m = 1264 kg-f .m Convertimos esta energía a Kw si, 1 Kkgf-m = 0.009806 Kw Ec = Pi = 13 KW

Remplazamos los valores en la formula y construimos la gráfica para cada diámetro de broca:



         

COSTOS DE PERFORACIÓN-CRITERIO ECONÓMICO Se evalúa básicamente el costo de operación de la máquina. En este costo se debe considerar  

Costos fijos: Intereses del capital capital invertido, depreciación, impuestos y seguros. Costos variables : combustible, combustible, lubricantes, aceros de perforación y mano de obra directa.

Algunas definiciones importantes  

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Inversión (V): se refiere refiere al valor de la máquina, este puede ser CIF/FOB o puede incluir aranceles e impuestos. Valor rescate (vr): es el monto económico que se piensa recuperar al final de la vida útil de máquina, generalmente se expresa en un % del valor inicial. Vida útil (N) : es el periodo durante la maquina trabaja con un rendimiento económicamente justificable Inversión media anual (VIMA) :es el valor que se considera como invertido al principio de cada año de la vida de la maquina.

VIM =((N+1)/2N) x V V= valor de la maquina o inversión



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Depreciación (D) : es el costo que resulta de la disminución en el valor de la maquina como consecuencia de su uso

D = (V-vr)/ve ve= vida económica en horas. 

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Interés de capital capital invertido (I) : cualquier empresa para comprar maquinaria adquiere fondos de bancos o mercado de capitales, pagando una tasa de interés la misma que debe ser calculada en el costo operativo. MO mantenimiento y reparación: son los los costos que se originan en la conservación de la maquinas. (mantenimiento preventivo). Es difícil establecer un promedio de costo debido a las diferentes condiciones de trabajo, por eso se estimará en base a un %MR (tablas), V y vr.

Consumo de Combustibles y Lubricantes: El consumo de combustible combustible es dado por el fabricante, hay que corregir por altura (perdida de potencia de motor por altura geográfica). Los consumos de lubricantes y demás consumibles también son dados por los fabricantes. Para el cálculo previo se ha relacionado este al consumo de combustible. Mano de Obra directa: se considera al personal que esta esta directamente involucrado en la operación de la maquina (perforista). El costo generalmente es proporcionado por RRHH.



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Aceros de perforación : de debe determinar la la vida útil de cada uno de ellos, inicialmente se determina en base a tablas del fabricante, sin embargo se debe llevar una estadística del consumo en campo para tener mejor datos.

CASO PRÁCTICO El plan minero de mina Rocasa sido diseñado para el método corte y relleno con 14 metros de altura rebaje en los niveles superiores y de 17 a 20 metros de altura rebaje en los niveles inferiores. La altura rebaje inferior incluye mayores costos por tonelada de mineral, pero tiene menores costos teniendo en cuenta el refuerzo de rocas. El minado apunta que empezar desde el nivel más profundo para minimizar las pérdidas de mineral en pilar horizontal. Calcular el costo horario de las perforadoras necesarias para la explotación con los siguientes datos:

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Precio Maquinas –Jumbo 2 brazos –Perf. taladros largos Valor rescate –Jumbo –Perf. Taladros largos Vida útil en horas –Jumbo –Perf. Taladros largos Tasa de interés –Jumbo –Perf. Taladros largos

600,000 800,000. 10% 12% 60,000 80,000 12% 8%

Determinamos la inversión promedio anual, con los datos proporcionados para el Jumbo de 2 brazos:



Calculamos el costo de propiedad horario de la perforadora Jumbo:

Calculo del costo de Operación, debemos saber que: »La máquina consume

10 gph de diesel

»El precio del diesel

3.75 $/galon.

»El consumo de grasa y lubricantes representa 68% del precio del combustible »Los gastos de mantenimiento


MR = 0.70


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Calculamos la mano de obra directa, los costos de aceros de perforación y el costo total horario del Jumbo

SOLUCIÓN PARA LA PERFORADORA DE TALADROS LARGOS 

Determinamos la inversión promedio anual, con los datos proporcionados :





Calculamos el costo de propiedad horario de la perforadora DTH:



Calculo del costo de Operación, debemos saber que:

»La máquina consume

12 gph de diesel

»El precio del diesel

3.75 $/galon.

»El consumo de grasa y lubricantes representa 60% del precio del combustible »Los gastos de mantenimiento



MR = 0.75

Calculamos la mano de obra directa, los costos de aceros de perforación y el costo total horario de la perforadora DTH



IMPACTO DE LA SELECCIÓN DE LA L A PERFORADORA EN LOS COSTOS TOTALES

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El costo de perforación es inversamente proporcional a la velocidad de penetración de la perforadora CP = 1/VP



De esta relación se deduce que el impacto en el costo total de perforación, esta influido por la mejor selección de la máquina , es decir que se debe elegir la maquina de mayor rendimiento para las condiciones de la operación .

CASO PRÁCTICO En una mina donde se produce 117,000 TM/mes de mineral y donde se extrae 13 750 TM/mes de desmonte por la preparación, se tiene los siguientes datos de los costos e inversiones:



Ejemplo Determinar impacto del costo de perforación y el costo de las perforadoras en el costo total. Solución: El impacto del costo de perforación representa el 6.6 % del total mensual.



Si consideramos que el costo mensual de las perforadoras se representan en la amortización + la depreciación entonces el impacto en el costo total del equipo es 0.89% del costo total.

MANTENIMIENTO DE EQUIPOS El mantenimiento se realiza de acuerdo a las especificaciones de fabricante y generalmente esta referido a lubricación y cambio de piezas que se desgastan por el uso. Mantenimiento diario FORMANDO LÍDERES POSTMODERNOS


1. Engrasar todos los puntos indicados 2. Tenga cuidado de la lubricación lubr icación del brazo hidráulico y de la viga de avance. 3. Revisar el ajuste de los pernos. 4. Revisar el nivel de aceite; agregar aceite cuando sea necesario. 5. Revisar el ajuste de los terminales. 6. Revisar los apoyos centralizadores. 7. Observar si existen fugas de agua y aceite. 8. Observar la condición de los filtros de retorno. 9. Cuando cambie mangueras recuerde taparlas para mantenerlas limpias, además no olvide de taponear las conexiones de la perforadora cuando la remueva para reparación. 10. Mantenga la limpieza también cuando reemplace el acumulador.

CONCLUCIONES Y RECOMENDACIONES 

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El trabajo se realizó para tener un conocimiento más amplio en cuanto respecta a las máquinas perforadoras y a la perforación que se realiza en mina subterránea. Se analizó también en lo respecta los costos de perforación y mantenimiento en el proceso de perforación . Se recomendaría que se pueda realizar realizar algunas prácticas en lo largo de estos procesos ya que son de mucha importancia.

BIBLIOGRAFÍA 

Llanque M. Oscar, Navarro T. Vidal, 1999, “Explotación Subterránea, métodos y casos prácticos” “Elección del método y planificación de la mina”.



http://www.mineriacatamarca.gov.ar/LinkEducativo/InformacionAcademica/Lo pez_Gimeno/01_Metodos_de_perforacion.pdf



http://www.dspace.espol.edu.ec/bitstream/123456789/6367/18/8.METODOS %20DE%20PERFORACI%C3%93N.pdf

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http://www.educarchile.cl/ech/pro/app/detalle?ID=217688


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