Universidad de Santiago de Chile1 Chile 1 Facultad de Ingeniería Departamento de Ingeniería en Minas Ingeniería Civil en Minas
Ejecución de chimeneas mediante Raise Borer
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Autores: Eric Medel Quiroz, Camila Ojeda Castillo.
Santiago, 30 de Agosto, 2012.
Universidad de Santiago de Chile Facultad de Ingeniería Departamento de Ingeniería en Minas Ingeniería Civil en Minas
Introducción Dentro de los diferentes métodos usados hoy en día en la explotación y excavación minera, destaca el sistema Raise Borer, no solo por ser eficiente, sino que además es seguro. Desde un punto de vista general, el procedimiento es bastante simple, sin embargo, a medida que se avanza en este tema subyacen elementos primordiales que determinan la complejidad que hace de este método uno los más excepcionales en la minería contemporánea. En pocas palabras, el Raise Borer consiste principalmente en la utilización de una maquina electrohidráulica en la cual la rotación se logra a través de un motor eléctrico y el empuje del equipo se realiza a través de bombas hidráulicas que accionan cilindros. Básicamente la operación consiste en perforar, descendiendo, un tiro piloto desde una superficie superior, donde se instala el equipo, hasta un nivel inferior. Posteriormente se conecta en el nivel inferior el escariador, el cual actúa en ascenso, excavando por corte y cizalle, la chimenea al diámetro deseado. En este método de excavación de chimeneas se requieren dos superficies de trabajo: el inicio de la excavación, el cual puede ser la superficie exterior o el interior de una galería; y el final de la excavación en la parte inferior. Es decir, es aplicable entre dos galerías o desde superficie a una galería. Dentro de los objetivos propuestos para el desarrollo del presente informe se plantea la visión general del método de Raise Borer, la descripción del ciclo operativo, los equipos utilizados más frecuentemente en faena, las ventajas y desventajas propias de éste sistema, y sus aplicaciones más recurrentes.
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Desarrollo Descripción general del proceso
Fig. 1: Ciclo de ejecución de Raise Bore.
Tal como se ilustra en la Fig. 1, el proceso de ejecución del método de Raise Bore, consta de dos etapas principales, a continuación descritas en orden secuencial:
1. Perforación del tiro piloto o sondaje piloto: Se realiza descendente, vertical o con inclinaciones de hasta 40°, utilizando como herramienta de corte un tricono de rodamientos sellados. El avance de la perforación se logra agregando barras extensoras y estabilizadoras a la columna de perforación, dependiendo de la profundidad deseada y las condiciones geológicas y geomecánicas.
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Universidad de Santiago de Chile Facultad de Ingeniería Departamento de Ingeniería en Minas Ingeniería Civil en Minas Durante la perforación, la extracción del detritus se realiza mediante la inyección a presión de agua o sustancias acuosas con aditivos espesantes a fin de eyectarlas a la superficie. Usualmente, para conseguir esto, se recurre a bombas de 37 a 50kW de potencia. Sin embargo, si la calidad de la granulometría de la roca es muy disgregable, se utiliza aire a presión para la evacuación de los residuos. La deflexión o desviación del tiro piloto dependerá de la pericia de operación y de la calidad del macizo rocoso a perforar. La presencia de diques, fallas o discontinuidades en general, tenderá a provocar mayores desviaciones, de las cuales se consideran dentro de los rangos esperados desviaciones no mayores al 1%.
2. Escariado o ensanchamiento ensanchamiento del tiro piloto: piloto: En la imagen central de la Fig. 1 se puede apreciar de manera general la segunda etapa del proceso, que consiste en reemplazar el tricono por el cabezal escariador o reamer head, una vez éste haya emergido en la superficie superior de la galería, donde finalizó la perforación piloto. El escariador avanza en ascenso y rotando (imagen en la derecha, Fig. 1), siguiendo la dirección del tiro piloto, excavando la roca por corte y cizalle para lograr el diámetro deseado de la chimenea. Por este motivo, el cabezal consta de piñones para triturar la roca a medida que sube. La presión de empuje es mayor en esta etapa que en su antecesora, y no es injustificado, pues el avance realizado es contra la gravedad y se requiere de un mayor esfuerzo para ascender entre el macizo. Durante el ascenso del escariador, se requiere de un scooptram en la línea de caída de la roca, a fin de transportar la ganga a los botaderos y la mena a la sección de tratamiento posterior. Para retirar el escariador al finalizar la excavación existen dos alternativas: Bajar la columna de barras extensoras y estabilizadoras por el fondo de la chimenea o pique, a través de la galería inferior. En este caso, es necesario dejar un puente de roca no excavado en la parte superior de 2 a 3 metros de espesor, dependiendo del diámetro final de excavación y de la calidad geomecánica de la roca. Excavar la chimenea completa, retirando el reamer head por la parte superior de la excavación.
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Descripción del equipo
Fig. 2: Esquema del equipo de Raise Borer.
Los siguientes son los componentes principales que forman parte del equipo del sistema Raise Borer:
Motor eléctrico: Su objetivo es dar la rotación a la columna en las 2 etapas anteriormente mencionadas, tanto en el sondaje como en la etapa de escariado. Durante la etapa de sondaje, la velocidad es de 30 RPM, no así durante la etapa de escariado, donde disminuye a 8 RMP. La potencia del motor varía desde los 150 HP a los 500 HP, 750 RMP y 550 o 380 Volt, dependiendo del tipo de equipo requerido. Conjunto de reductores: Indicados con el número 1 en la Fig. 2, se encuentra el conjunto de 3 o 4 transmisores hechos en base a engranajes y piñones planetarios que reducen la velocidad de rotación según la operación lo amerite. Es normal encontrar más engranes de transmisión en la columna de perforación, no sólo para estabilizar el sondaje, sino que también para mantener una velocidad constante y no desviar la dirección del mismo. Sistema de empuje electrohidráulico: Corresponde a la imagen 2 en la Fig. 2 y consiste en un conjunto de bombas hidráulicas y electroválvulas de
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alta presión, cercanas a las 3000 PSI, que entregan la presión de trabajo en ambas etapas operativas. En general, se manejan rangos de hasta 3 megapascales durante el sondaje, y desde 4 a 20 megapascales durante el escariado. Sistema de sujeción de la columna de barras: Correspondiente al número 3 en la Fig. 2, su misión es sujetar la columna durante la faena. Base y cuerpo principal: Resaltado con el número 4, consta de componentes de fierro fundido donde se montan los componentes anteriormente mencionados. Dependiendo si la operación es en superficie o dentro de una galería, se cimenta sobre concreto o sobre barras de sujeción. Conjunto eléctrico: Componentes eléctricos de partida, limitadores de torque y sistemas de seguridad, que evitan roturas o daños en la columna en cualquiera de las etapas de labor. Columnas de perforación: Número 5 en la Fig. 2, está formado principalmente por barras de extensión, barras estabilizadoras de piloto y de escariado y barras de partida. En algunos casos, también hay barras de transmisión. Escariador, cabezal o reamer head: Designado por el número 6 en la Fig. 2, consta de una estructura metálica donde van ubicados los cortadores que definen en diámetro final de la chimenea. Trabaja por empuje y rotación en forma ascendente, provocando la ruptura del macizo, debido a la presión aplicada por los bits ubicados en la parte superior del cabezal. El número de cortadores o bits y la disposición de estos dependerá del diámetro deseado para la chimenea. A continuación, se presenta una tabla indicativa que relaciona la cantidad de cortadores y el diámetro objetivo:
Diámetro final de escariado (metros)
Número de cortadores (unidades)
1,50 1,80 2,10 2,50 2,70 3,00 3,50 4,00 4,50
8 10 12 14 14 16 22 26 28
Tabla 1: N° N ° de cortadores según seg ún diámetro de escari escariador. ador.
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Estación de trabajo: La estación de trabajo corresponde al conjunto de piezas y mecanismos donde el equipo se sostiene. Puede estar ubicada en superficie o dentro de una galería. En promedio, cada estación de trabajo requiere de 10m 2, aproximadamente, de superficie para su operación óptima, en la cual se anclará la losa de concreto. Cada modelo requiere diferentes alturas, según se especifica en la siguiente tabla:
Modelo Master Drilling RD-3-250 Robbins 73-R Robbins 71-R Robbins 61-R Robbins 41-R
Altura (metros)
rea (metros) 3x3
6,00
3x3
7,50
3x3
6,00
3x3
5,00
3x3
4,50
Tabla 2: Dimensiones de las estaciones de trabajo según equipo.
Rendimiento de excavación Si bien el rendimiento y el desempeño de éste método va fuertemente ligado a las condiciones de trabajo, como la geomecánica del macizo, la profundidad del pique o el diámetro esperado, en general, es posible afirmar rotundamente que es uno de los más eficientes en cuanto a rendimientos netos. Para el caso de rocas competentes con resistencia a la compresión uniáxica de hasta 180Mpa, el rendimiento por jornada de faena de 16 horas se detalla en la Tabla 3:
Diámetro de escariado (metros)
Rendimiento (metros/día)
1,50 2,50 3,00 3,50
12 a 20 8 a 14 6 a 10 4a8
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Ventajas y limitaciones Como ya se ha mencionado, el Raise Borer es un sistema que garantiza seguridad y eficiencia, siendo éstas sus principales ventajas. Sin embargo, no está demás mencionar otras, tales como:
Excelente seguridad de personal, ya que en la mayoría de los casos no hay trabajadores en la línea de caída de la roca. Mayor producción y rendimiento, comparado a métodos convencionales de ruptura de roca con explosivos. Gran autonomía en excavación de piques de gran longitud. Alta razón de avance en metros por día. No existe overbreak (sobreexcavación), debido a la precisión del equipo. Versatilidad para excavar en ángulos sub-horizontales, a pesar de estar diseñado para piques verticales. Los muros escariados son perfectamente lisos, facilitando el trabajo posterior a la excavación de la chimenea y la circulación de aire. Además, en la mayoría de los casos no se requiere de sostenimiento o fortificación.
No obstante, también existen desventajas propias de éste método. Dentro de las más relevantes tenemos:
Falta de flexibilidad en cuanto a tamaños y formas de la chimenea. La dirección de ésta no puede ser cambiada una vez ha comenzado el proceso. Requiere de una gran inversión en infraestructura, equipo y mantención, aproximadamente 15.000 US$. Alto costo por metro lineal de excavación, ascendente a 600 US$/m. Presenta inconvenientes al ser utilizado en rocas de mala calidad. Requiere de personal altamente especializado y preparación previa en el área de trabajo.
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Aplicaciones El método Raise Borer es actualmente aplicable con éxito a una amplia variedad de actividades mineras:
Chimeneas de ventilación: Por la calidad de paredes lisas, la pérdida de carga y la resistencia a la circulación disminuyen notablemente. Chimeneas de traspaso de mineral: Al tener paredes lisas aumenta el deslizamiento de material al pasar por la chimenea, aumentando la eficiencia y reduciendo los casos de atascamiento. Chimeneas de servicio y acceso: Por la terminación y los diámetros pequeños que es posible obtener, el Raise Borer es una excelente opción para el paso de aire comprimido, agua, drenajes y cables de energía eléctrica. Además, al ser más estables las paredes de la chimenea, se hace más seguro el acceso del personal.
Por otra parte, también es aplicable a labores civiles no mineras, como:
Compuertas y cámaras en proyectos hidroeléctricos. Ventilación para obras viales y para túneles de ferrocarril. Entradas y salidas de agua en granjas piscícolas. Accesos de equipamiento en obras civiles de drenaje y electricidad. Almacenamiento de petróleo, gas presurizado y residuos radiactivos.
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Bibliografía y fuentes
Ubilla Campos, Luis Rodrigo. Mecanización de desarrollos verticales con equipos escariadores. 1994. 2010 © Terracem S.A. Disponible en el sitio web: http://www.terracem.cl 2011 © Sandvik Mining. Raise boring tolos and systems. Disponible en el sitio web: http://m h ttp://mining.sandvik.com/ ining.sandvik.com/ 2010 © MICON Mining and Construction products GmbH & Co. KG. Raise Bore Equipment I. Disponible en el sitio web: http://www.micon-dr http://www.micon-drilling.de illing.de Carlos López Jimeno, Emilio López Jimeno, Franciso Ayala. Drilling and blasting of rocks. 2006. Instituto Geológico y Minero de España. Codiv S.L., Departamento técnico de microtúneles Sonntag. Sistema de excavación: Raise-Boring. Grupo Editorial EDITEC. Revista Minería Chilena. Edición de octubre de 2003. Chile. Dessureault, Sean. Rock Excavation. 2006. University of Arizona, Mining and Geological Engineering. Arizona, Estados Unidos.
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