Inacap Iquique Ingeniería en Minas Aire comprimido y perforación
Perforadoras con martillo en fondo (DTH)
Nombre Alumno (s): Nombre Profesor: Fecha: 02/04/2012
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INDICE 1. INTR INTROD ODUC UCCI CIÓN ÓN 2. HISTORIA 3. CARA CARACT CTER ERÍS ÍSTI TICA CAS S 3.1 Perforadora 3.2 Accesorios 3.3 Requerimientos de aire comprimido 3.4 Características de los equipos de montaje 4. APLI APLICA CACI CIÓN ÓN 4.1 Aplicaciones en canteras o minería a tajo abierto 4.2 Aplicaciones en minería subterránea 5. CONC CONCLU LUSI SION ONES ES
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1. INT INTRO RODU DUCC CCIÓ IÓN N La idea de aprovechar aprovechar al máximo los efectos efectos básicos básicos en la perfora perforación ción de roca roca como son la rotación y la percusión llevaron a los creadores de la perforación “Down the hole” a diseñar una perforadora que pueda introducirse en el taladro con objeto de trasladar al fondo del taladro la energía energía desplegada por cada golpe generado por el pistón de la perforadora. Lo menc mencio iona nado do ante anteri rior orme ment nte e logr logró ó de mane manera ra inus inusititad ado o aume aument ntar ar los los rendimi rendimient entos os habitu habituale aless de perforac perforación ión alcanza alcanzados dos,, especi especialm alment ente e en rocas rocas duras. A casi 36 años de la creación de los modelos iniciales mucho se ha avanzado al pres presen ente te y es prec precis isam amen ente te en rela relaci ción ón a esta estass últi última mass expe experi rien enci cias as y aplicaciones tanto en el País como en el extranjero que motivan al suscrito a presentan este trabajo.
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2. HISTORIA Las perforadoras “Down the hole” inicialmente se aplicaron en perforación de tala taladro dross de vola voladu dura ra en cant cantera erass
y mina minass a tajo tajo abie abiert rto, o, espe especi cial almen mente te en
aquellas donde la perforación rotativa era de alto costo operativo. En esta primera etapa los taladros no alcanzaron más de 30 pies de longitud. Posteriormente en perforación de pozos para agua se lograron alcanzar fácilmente longitudes de 120 pies pies,, const constitituy uyen endo do ento entonce ncess un gran gran suce suceso. so. Sin Sin emba embargo rgo,, inno innova vacio cione ness impl implem emen enta tada dass con con éxit éxito o en las las perf perfor orad ador oras as rota rotatitiva vass rele relega garo ron n a las las perforadoras Down the hole a aplicaciones en rocas duras. Asimismo, algunas pérdi pérdida dass de la perf perfor orado adora ra por por atas atascam camie ient nto o en los los tala taladro dros, s, llev llevaro aron n a los los fabr fabric ican ante tess a modi modififica carr los los dise diseño ñoss orig origin inal ales es con con el fin fin de aseg asegur urar ar la recuperación del equipo. Al presente se ha optimizado la operación operaci ón de la perforadora y se le utiliza tanto en labores de superficie como en labores subterráneas.
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3. CARA CARACT CTER ERÍS ÍSTI TICA CAS S 3.1
Perforadora
Podemos describir la perforadora exteriormente como un cilindro de acero que tiene tiene acoplado acoplado por un extremo extremo,, la broca broca y por el otro se encuentra encuentra acopla acoplado do mediante enrosque a la primera barra de la columna de perforación, columna que girará mediante accionamiento hidráulico o neumático. Gene Genera ralm lmen ente te apre apreci ciare aremo moss que las las barra barrass de perf perfor orac ació ión n son son de diám diámet etro ro ligeramente menor al de la perforadora y ésta a su vez también es menor en diámetro que la broca. Como se podrá apreciar en el gráfico Nº 1, esta relación dire direct cta a con con el cauda caudall de aire aire reque requeri rido do para para la evac evacua uació ción n de los los detr detrititos os productos de la perforación. Como acabamos acabamos de anotar la perforadora es accionada por aire comprimido que a su vez conduce a través de una manguera, aceite en suspensión para lubricar las partes móviles de la perforadora. Secuencialme Secuencialmente, nte, el aire comprimido comprimido se une al agua agua de perf perfor orac ació ión, n, pues pues sólo sólo exis existe te un cond conduct ucto o para para llev llevar ar esto estoss tres tres Ingredientes básicos hasta la perforadora. Al examinar el diseño interior de la perforadora perforador a — podremos apreciar que existen sólo dos partes móviles; el pistón y la válvula check. La válvula - check regula el ingreso del aire a la máquina y a su vez no permite el ingreso de agua u otro 5
agente por contraflujo. Este sistema hace posible la aplicación en perforación submarina o en presencia de la napa freática.
3.2
Acc cceesor sorios ios de perf perfor orac ació ión n
El sistema Down the hole de perforación requiere de accesorios básicos que han de constituir constituir la columna de perforación, perforación, que en ciertas ciertas aplicaciones aplicaciones ha alcanzado longitudes de hasta 600 pies (183.5 mts.) Esta columna se compone de los siguientes elementos
3.2.1. Brocas La broca broca que gene genera ralm lmen ente te está está al Inic Inicio io de la colu column mna a de perf perfora oraci ción ón es considerada pieza básica - de ésta y constituye un agente de costo Importante dent dentro ro del del cost costo o oper operat ativ ivo o que que gene genera ra est este sist siste ema de perf perfor orac ació ión. n. La técnica de perforación perforación desarrollada desarrollada en el Canadá aconseja la utilización utilización de un juego de 4 a 6 — brocas para un determinado número de pies programa dos. Mediante este método se ha logrado obtener vidas de brocas del orden de 2.000 pies pies en terre terreno noss duros duros,, grac gracia iass al reac reacon ondi dici ciona onami mien ento to o afil afilad ado o a que que son son sometidos una vez que han cumplido un determinado número de pies perforados. Por este motivo es necesario contar con un juego de brocas que se van rotando hasta finalmente descartarse — por desgaste el total de componentes en conjunto.
El sistema Down the hola utiliza brocas de dos tipos, las tradicionales tipo cuchilla
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en “X” cuya aplicación se recomienda para terrenos de mediana dureza y los recientemente desarrollados de botones, de eficiente desempeño en rocas muy duras. Las del tipo en “X” generalmente requieren afilado y los del tipo da botones reacon reacondici diciona onamie miento nto.. La selecc selección ión correct correcta a del tipo tipo de broca broca a utiliz utilizars arse e de acuerdo al terreno a perforar perforar constituye constituye el primer paso importante importante para lograr una excelente velocidad de penetración y el máximo de vida posible - de broca. No está demás señalar que a selección de los accesorios de perforación comienza con la — elección del diámetro de taladro que se desea perforar.
3.2.2. Perforadora Down the hole Constituye el segundo elemento de la columna y va situada y acoplada después de la broca. Un correcto y cuidadoso acoplamiento es recomendado para evitar dañar a la perforadora.
3.2.3. Cabezal posterior de la perforadora (Backhead) Está situada inmediatamente inmediatamente después de la perforadora y tiene diferente diferente sistema sistema de rosca en ambos — extremos. La de forma cónica es la del tipo API y constituye el punto de acoplamiento con las barras de perforación, que lógicamente deberán tener este mismo tipo de rosca.
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3.2.4 Barras de perforación Las barras o barrenos de perforación varían en longitud y en diámetro de acuerdo a la aplicación y al diámetro de hueco que se desea perforar. Las aplicaciones en superficie requieren generalmente barras entre 10 y 20 pies de longitud y pueden ir desde 3” a 27” en diámetro. Para aplicaciones en minería subterránea la longitud de estas barras se reducen a tramos de 5 pies y en diámetro varían entre 3” y 4 1/2”. Como se puede apreciar apreciar en el gráfico (fig. (fig. 4) la barra es hueca y posee una rosca macho y otra hembra en ambos extremos. Este Este tipo tipo de acce accesor sorio io,, agen agente te de cost costo o tamb tambié ién n port portan ante te dent dentro ro del del cost costo o operativo, generalmente se descarta por daños irreparables en las roscas de empalm empalme, e, produci producidas das mayorme mayormente nte por acopla acoplamie miento ntoss violen violentos tos o imperf imperfect ectos. os. Asimismo, en ciertos casos estas barras sufren doblamiento perdiendo la rectitud, bondad indispensable para obtener taladros rectos. Se estime en 30.000 pies es promedio la vida de una barra. Sin embargo, se considere que este record irá incrementándose de acuerdo a la mayor habilidad que logre el operador al manipularlos.
3.3 3.3
Requ Re quer erim imie ient ntos os de ai aire re comp compri rimi mido do
Las Las perf perfor orad ador oras as Down Down the the hole hole son son
emin eminen ente teme ment nte e de perc percus usió ión n y su
funcionamiento y rendimiento son normados por el caudal y presión de aire 8
suministrados. Estos dos factores afectan la operación de la perforadora si están fuera de los rangos considerados como óptimos. Estar debajo del límite inferior ocasiona una pobre velocidad de penetración y una deficiente evacuación de los detritos de perforación. Por otro lado, operar sobre un límite considerado máximo, pese a originar una excele excelente nte penetrac penetración ión y perfec perfecta ta limpieza limpieza,, puede puede
deriva derivarr en una defici deficient ente e
lubricación y como consecuencia de esto un rápido deterioro de la perforadora. Para Para la dete determi rmina naci ción ón del del cauda caudall y presi presión ón de aire aire nece necesa sario rio se tien tiene e que considerar el consumo es teórico de la perforadora, establecidos por el diámetro y la carrera del pistón y el número es golpes por minuto teórico diseñados, para obte obtene nerr un rend rendim imie ient nto o proy proyec ecta tado do espe espera rado do.. El nive nivell de pres presió ión n de aire aire seleccionado será de acuerdo al caudal calculado y en principio deberá ser capaz de movilizar al pistón al número de golpes proyectados. Una mayor presión a este último y lógicamente se incrementará la velocidad de penetración. En el gráfico Nº 3 puede observarse como se logra incrementar la velocidad de penetración en cambios tres veces la obtenida operando con presión de aire a 100 PSIG, en este caso como puede apreciarse se deberá operar con aire a 200 PSIG de presión. Como Como pueden pueden apreciar en el gráfico no existen existen diferencias diferencias notables notables entre los equipos que utilizan el sistema Down the hole y el sistema rotativo, dado que se aprovecha su propio sistema de rotación y su capacidad de empuje a la columna.
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En el caso de los Track Drill se podrán apreciar diferencias saltantes pues varía el diámetro diámetro de la columna de perforación perforación y la voluminosa voluminosa perforadora roto percutiva ha sido reemplazada esta vez por un cabezal rotativo de similares dimensiones. Este cabezal está sujeto sujeto a una torre guía de acero y recorrerá a todo largo de ella conforme lo hacía la perforadora roto percutiva cada vez que lograba perforarse un tramo igual a la longitud del barreno.
3.4.2 Equipos para labores subterráneas Cont Contra rast stan ando do con con el gran gran tama tamaño ño a las las perf perfor orad adora orass rota rotatitiva vass dond donde e puede puede inst instal alar arse se la perf perfor orado adora ra Down Down the the Hole Hole,, much muchos os fabri fabrica cant ntes es amer americ ican anos os y euro europe peos os han han dise diseña ñado do y fabri fabrica can n un equi equipo po bast bastan ante te compa compact cto o capa capazz de movilizarse en las estrechas vías y aún ser fácilmente introducido en jaulas de pique sin dificultad. dificultad. Este equipo que como muchos muchos denominan denominan “Jumbo” sin ser el tradicional que conocemos, se parece más a un track drill (perforadora montada sobre orugas) pero aun más compacto pues solo tiene 1.40m de alto en posición de traslación. El equipo es exclusivamente accionado por aire comprimido, aunque constituye una unidad neumática hidráulica, pues todos los movimientos del equipo son generados hidráulicamente. La combinación “Jumbo” down the hole perfora muy eficientemente taladros entre 4” y 12” de diámetro y hasta 185m (600 pies) de longitud, dependiendo de las condiciones de roca. 10
La descripción general del Jumbo DHD que se fabrica actualmente es la de un sólido chasis montado sobre dos orugas o cuatro neumáticos, conjunto que está acoplado y sostiene una torre guía de perforación. Cuatro gatas hidráulicas nivelan y estabilizan la unidad durante la perforación. Un motor neumático acciona la bomba bomba hidráu hidráulic lica a que a su su vez accion acciona a todos todos los los motores motores hidráu hidráulic licos os que que generan los movimientos del equipo. Los motores hidráulicos básicamente movilizan las orugas, hacen girar el cabezal rotativo y proporcionan la fuerza de empuje a la columna de perforación. La unidad está equipada con una bomba de pistón para el suministro de agua con suficiente presión con el fin de deprimir el polvo durante la perforación. Todos los controles e instrumentos están localizados en un lugar conveniente para una cómoda operación del equipo. El peso operativo de la unidad promedio es de 1500 Kg y su velocidad de traslación máxima es de 11Km/H. Algunas bondades del equipo que podemos resaltar son las siguientes: a. Posee vigorosa construcción y gran estabilidad durante la perforación.
b. Puede trabajar trabajar con alta presión presión de aire para obtener obtener mayor mayor velocidad velocidad de penetración. c. Dura Durant nte e la perf perfor orac ació ión n no se sobr sobrep epas asan an los los nive nivele less de ruid ruido o establecidos como tolerables para el trabajador minero.
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d. Su operación es sencilla y requiere como mínimo el concurso de dos operadores. e. Facilidad de maniobra la cual permite un rápido posicionamiento en el lugar de trabajo. La variedad de aplicaciones que se ha logrado obtener con este equipo lo ha llevado a ser considerado como adelanto tecnológico dentro de la gran gamma de equipo minero en el último quinquenio. En el siguiente capítulo veremos en detalle sus aplicaciones
4.- APLICACIONES DEL SISTEMA DOWN THE HOLE DE PERFORACIÓN
4.1.- Aplicaciones en superficie.
Canteras y minas a tajo abierto
Sabemos que las primeras aplicaciones del sistema down the hole fue en la expl explot otac ación ión de cant cantera erass medi median ante te la perf perfor orac ació ión n de tala taladro dross de vola voladu dura ra,, post poster erio iorme rment nte e en esta esta mism misma a apli aplica caci ción ón se mejo mejora raron ron los los rend rendim imie ient ntos os de perforación en las minas de tajo abierto. Es pref prefer erib ible le la apli aplica caci ción ón de perf perfor orad ador oras as con con este este sist sistem ema a (DTH (DTH)) en la perforación de rocas duras y abrasivas. Los diámetros de taladros más comunes que se pueden encontrar varían entre 4” y 8”; sin embargo se está introduciendo con éxito, perforadoras para aplicaciones de hasta 3” de diámetro. Comparativam Comparativamente ente al sistema sistema DTH, el rotativo pese al gran desarrollo desarrollo alcanzado, no ha logrado alcanzar las velocidades de penetración que el DTH ha alcanzado en rocas duras. Existe una extraordinaria diferencia de velocidades de penetración 12
en la aplicación aplicación del sistema sistema rotativo, rotativo, que van desde los 225 m/H (11pies/min) (11pies/min) en terrenos bastantes suaves a velocidades tan pobres de 7m/h en en rocas muy duras. En el sistema sistema DTH la diferencia diferencia de velocidades velocidades de penetració penetración n entre las rocas rocas más suaves y más duras no son muy significativas. significativas. Estas Estas velocidades velocidades alcanzan entre entre 15m/H hasta hasta 45m/H 45m/H dependien dependiendo do de la presión presión de aire aire de operació operación n y lógicamente del caudal de aire suministrado. Dada la fácil instalación de las perforadoras DTH en actuales unidades rotativas montadas montadas sobre orugas o neumáticos, neumáticos, muchos usuarios usuarios tienen tienen ambas opciones y utilizan cada tipo de perforación de acuerdo a la calidad del terreno que desean perforar, con el objeto de alcanzar siempre record constantes de penetración. Similar Similar apreciación apreciación podemos dar para el caso de los Track Drills, Drills, aunque en este caso los diámetros de taladro preferidos varían de 3” a 5”. Las velocidades de penetración del sistema DTH DTH comparadas a las obtenidas por las perforadoras perforadoras roto percutivas percutivas montadas montadas en las unidades Track Drill no lograron lograron equipararse. Las perforadoras roto percutivas mantendrán supremacía y más aún las las perf perfor orad ador oras as hidr hidráu áulilica cas. s. Sin Sin emba embarg rgo o debe debe de cons consid ider erar arse se que que lo anteriormente establecido es solo para longitudes de perforación no mayores a 15m. La aplicación en canteras y en minas a tajo abierto será siempre ventajosa para perfor perforado adoras ras DTH, DTH, porque porque genera genera menore menoress costos costos operat operativo ivoss al otorga otorgar r meno menore ress índi índice cess de vida vida de barr barren enos os y broc broca as y por por la faci facillida idad en su mantenimiento. Resumiendo todo lo que nos ocupa en esta parte del capítulo de aplicaciones a continuación establecemos un cuadro comparativo entre los sistemas a que nos referimos de acuerdo a diferentes puntos característicos a los tres tipos:
Características
Perforación DT DTH
Velocidad de Mantie Mantiene ne la veloci velocidad dad penetración de penetración constante a toda profundidad.
Perforación TH
Perforación rotativa
Alta velocidad de pene penetr trac ació ión n inic inicia iall que decae con cada barreno adicionado
Requie Requiere re una mayor mayor fuerza de empuje para poder equiparar la velocidad de penetración del sistema DTH
Se obtiene una excelente velocidad de penetración con menor fuerza de empuje a la columna de 13
perforación. Una unid unidad ad livi livian ana a pued puede e perfor perforar ar diámet diámetros ros de taladro más grandes
Requerimiento de aire
Utiliza menor cantidad de aire debido a que el escape de la perf perfor orad ador ora a ayud ayuda a a limpiar el taladro. Pued Puede e util utiliz izar ar aire aire a alta presión para incrementar la velocidad de penetración. penetración. Requiere Requiere ligeramente men menor cant cantid idad ad de aire aire que que las rotativas.
Utiliza más aire, pues pues el requ reque erido rido por la limpieza hay que adicionar adicionar al que consume la perforadora. La alta pres presió ión n de aire aire es prohibitiva para este sistema, pues daña la perforadora y reduce notablemente la vida de los barrenos y accesorios.
Requ Requie iere re una gran gran cant cantiidad de aire o lodo para la limpieza, dependie dependiendo ndo mucho mucho del diámetro de broca y barrenos.
Nive Nivele less de de rui ruido do El bajo bajo nive nivell de golpe golpess por minuto desarrol rollado por la perfor perforador adora a así como como el ruido de escape es reducido notablemente al ser silenciados dentro del taladro.
Requiere un Muy bajo, sólo el sil silenci nciador dor en el equi equipo po gene genera ra ruid ruido o escape de la no la perforación. perf perfor orad ador ora, a, si el nivel de ruid uido es crít crític ico. o. El ruid ruido o de impacto es difícil de controlar.
Accesorios perforación
Util Utiliz iza a mang mangui uito toss adaptadores y coplas con rosca de continuo deterioro y frecuente reemplazo.
de No requiere de manguitos adap adapta tado dore ress (sha (shank nk adap adapte ters rs)) ni copl coplas as.. Pues utiliza barr barra as roscadas das estánda ndar API. El costo operativo por barrenos es bajo dado que se utiliza un bajo nivel de empuje y de torque
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La gran fuerza de empuje que se aplica, así como el alto torq torque ue de rot rotació ación n contribuye contribuye a provocar provocar una una meno menorr vida vida de barrenos
Mantenimiento
Tiene menor número de partes móviles. Toda la energ nergíía va aplicada sobre la roca mas no sobre la perf perfor orad ador ora a ni en la unidad donde va instalada.
La unidad donde va instalada la perf perfor orad ador ora a debe debe resistir el fuerte impacto de perforación y vibración q ue genera la perforadora.
Altos niveles de vibr vibra ación ción dond donde e el mayor nivel de fuerza de empu empuje je obli obliga ga a tene tenerr un frecu recuen entte intervalo de mantenimiento.
Perforación de Desv Desvia iaci ción ón de los los taladros de gran tala taladro dross a grande grandess profun profundida didad d en rocas rocas profundidades. dura duras. s. Apli Aplica caci cion ones es donde la broca tricónica rotativa tendría vida muy corta y un excesivo costo.
Perforación de taladros de gran profundidad en rocas suaves a media dureza
Pose Posee e inte interv rval alos os de mant mante enimi nimien entto mas mas largos por el bajo nivel de la fuerza de empuje y la mínima vibración de la máquina Aplicación
4.2.- Aplicaciones en minería subterránea La aplicación aplicación del sistema sistema DTH de perforación perforación en minería minería subterránea subterránea ha tenido un gran desarrollo y merece destacarse, pues ha incidido notoriamente en el mejoramiento de tradicionales métodos de minado, así como en aumentar la rapi rapide dezz de ejec ejecuc ució ión n de labo labore ress auxi auxililiar ares es que que dema demand nda a una una oper operac ació ión n subterránea. A continuación hacemos una descripción de estos diferentes aspectos:
4.2.1.- Servicios auxiliares
Nos referimos en primer término siempre al equipo de perforación denominado Jumbo DHD mostrado y descrito en el subcapítulo 3.4.2, pues justamente algunas 15
bondades de este equipo permite lograr en forma rápida y segura la ejecución ejecución de tala taladro dross de servi servici cio, o, labo laborr que que ha permi permititido do elev elevar ar la produc productitivid vidad ad en una operación minera. Seguidamente menciona remos algunas aplicaciones conocidas: Cuadro comparativo:
Aplicabilida Aplicabilidad d de diferentes diferentes métodos métodos para hacer chimenea chimeneas s
Stoper convenciona l
Stoper Stoper jaula jaula Raise borer trepadora
Jumbo/DHD
30
50
200
70
50
100
400
10 0
Costo Costo direct directo o 4 0% por por metr metro o en % comparando a raise borer
50%
100 %
40%
Inclinación máxima
70 º
65 º
70 º
Alcance optimo Mts-long. Chimeneas Max. Alcance Económico Mts-long. Chimenea
45º
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Desarrollo de chimeneas Excavación de chimeneas método tiros largos
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