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26/8/2015 Codelco Educa/Procesos Productivos Escolares/Extracción/Equipos Asociados/Métodos y Equipos

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Cobre¿Qué es el Cobre?PropiedadesAleacionesUsos

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¿Cómo se produce el cobre?

Escolares / Extracción

Métodos y equipos de perforaciónExisten distintos métodos de perforación de rocas, diferenciados principalmente por el tipo de energía queutilizan (Ej: mecánicos, térmicos, hidráulicos, etc.). En minería y en obras civiles, la perforación se realiza,actualmente, utilizando energía mecánica.

Métodos de perforación de rocas

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Actualmente, en trabajos de minería tanto a rajo abierto como en minería subterránea y en obras civiles,la perforación se realiza utilizando energía mecánica, lo que define distintos métodos de perforación ycomponentes de perforación.

Los principales componentes de un sistema de perforación de este tipo son:

Perforadora, fuente de energía mecánica. Varillaje, medio de transmisión de dicha energía. Broca o bit, herramienta útil que ejerce energía sobre la roca. Barrido, efectúa la limpieza y evacuación del detrito producido.

Clasificación de las perforaciones

Según el método mecánico de perforación

Métodos rotopercutivosson muy utilizados en labores subterráneas y trabajos menores en minería a cielo abierto(precorte), tanto si el martillo se sitúa en la cabeza como en el fondo de la perforación. Eneste método tiene lugar la acción combinada de percusión, rotación, barrido y empuje.Perforación rotopercutivacorresponde al sistema más clásico de perforación de rocas, utilizado desde el siglo XIX. Eneste tipo de perforación se emplea la acción combinada de percusión, rotación, empuje ybarrido, ya sea en equipos manuales para labores menores (pequeña minería y obras civilesde poca envergadura) o mecanizados( principalmente en minería subterránea de granescala; ej: minas subterráneas de Codelco) y en obras civiles de gran envergadura, como laconstrucción de una caverna o túnel carretero.

Las principales ventajas de este método de perforación, en comparación al métodorotativo, son:

Es aplicable a todos los tipos de roca, desde las más blandas hasta las más duras. Permite una amplia gama de diámetros de perforación (desde 1" hasta 8"). En el caso de perforación mecanizada, los equipos tienen gran movilidad (la perforadorapuede ser montada en camiones sobre ruedas). Requiere de una persona para operar la perforadora.

Métodos rotativos

se subdividen en dos grupos, según si la penetración en la roca se realiza por trituración(triconos) o por corte (brocas especiales). El primer sistema se aplica en rocas de dureza media aalta y el segundo en rocas blandas. En este tipo de perforación no existe la percusión.

Según el tipo de maquinaria

Perforación manualen este tipo de perforación se usan equipos ligeros operados por perforistas. Este métodose utiliza en trabajos de pequeña envergadura, donde, principalmente por dimensiones, noes posible usar otras máquinas o no se justifica económicamente su empleo.Perforación mecanizadaen una perforación mecanizada, los equipos van montados sobre estructuras llamadasorugas, desde donde el operador controla en forma cómoda todos los parámetros deperforación.

Según el tipo de trabajo

Perforación de banqueo



perforaciones verticales o inclinadas utilizadas preferentemente en proyectos a cielo abiertoy minería subterránea (L.B.H.). Este tipo de perforación se emplea, en general, para la mineríaa cielo abierto y para algunos métodos de explotación subterránea, como el hundimientopor subniveles.Perforación de avance de galerías y túnelesperforaciones preferentemente horizontales llevadas a cabo en forma manual o mecanizada.Los equipos y métodos varían según el sistema de explotación, pero por lo general, paraminería en gran escala subterránea se utilizan los equipos de perforación llamados"jumbos", que poseen desde uno a tres o más brazos de perforación y permiten realizar laslabores de manera rápida y automatizada.Perforación de produccióncon este nombre se conoce al conjunto de trabajos de extracción del mineral que se realizaen las explotaciones mineras. Una perforación de producción corresponde a la que seejecuta para cumplir los programas de producción que están previamente establecidos.Perforación de chimeneas y piquesse trata de las labores verticales, que son muy utilizadas en minería subterránea y en obrasciviles. En ellas se emplean métodos de perforación especiales, entre los cuales destacan elRaise Boring y la jaula trepadora Alimak.Perforación con recubrimientose utiliza por ejemplo, en perforación de pozos de captación de aguas y perforacionessubmarinas.Perforación con sostenimiento de rocaseste tipo de perforación se emplea principalmente en labores subterráneas cuando serequiere colocar pernos de anclaje, y se realiza como método de fortificación para dar asíestabilidad al macizo rocoso.

Equipos de perforación manual

Es el sistema de perforación más convencional de perforación, utilizado por lo general paralabores puntuales y obras de pequeña escala debido principalmente a la facilidad en lainstalación de la perforadora y a los requerimientos mínimos de energía para funcionar (uncompresor portátil). Esto permite realizar labores de perforación en zonas de difícil acceso sin quesea necesario personal muy experimentado para la operación y mantención de las perforadoras, loque significa un menor costo por metro perforado.

Perforación manual con martillo en cabeza

Este sistema de perforación se puede calificar como el más clásico o convencional, y aunque suempleo por accionamiento se vio limitado por los martillos en fondo y equipos rotativos, laaparición de los martillos hidráulicos en la década de los setenta lo ha hecho resurgir, ampliandosu campo de aplicación.

Perforadoras neumáticas

En este tipo de perforadoras, el martillo es accionado por aire comprimido. Los principalescomponentes de este sistema son:

Cilindro cerrado con una tapa delantera que dispone de una abertura axial donde vacolocado el elemento portabarras, así como un dispositivo retenedor de barras deperforación. El pistón, que con su movimiento alternado golpea el vástago o culata a través de la cualse transmite la onda de choque a las barras. La válvula, que regula el paso de aire comprimido en un volumen determinado y de maneraalternativa a la parte anterior y posterior del pistón. El mecanismo de rotación, ya sea de barra estriada o de rotación independiente. El sistema de barrido, que consiste en un tubo que permite el paso del aire hasta el interior



de las barras.

Accesorios

Empujadoresson los accesorios utilizados para dar el empuje que requiere la perforadora. Básicamente, unempujador consta de dos tubos: uno exterior de aluminio o de un metal ligero y otro interior deacero, el que va unido a la perforadora. El tubo interior actúa como un pistón de doble efecto,controlándose su posición y fuerza de empuje con una válvula que va conectada al circuito deaire comprimido. Esto permite avanzar con la perforación y usar el accionamiento neumático delempujador para el avance respectivo.

Barrenas integraleses el conjunto de barras que unen la fuente de energía mecánica (pistón) con la roca mediante elbit. Las barras integrales están constituidas por un culatín que está en contacto directo con elpistón de la perforadora y una barra que va unida a la broca o bit, que es el elemento que está encontacto con la roca. Este dispositivo es el que ejerce el mecanismo de fractura y avance sobre elmacizo rocoso.

Características principales

Las longitudes de perforación que se alcanzan mediante este sistema de perforación neumáticosuelen no superar los 30 m debido a las importantes pérdidas de energía en la transmisión de laonda de choque y desviaciones que tienen lugar en la perforación.

Característica Valores

Relación diámetro pistón/diámetro deperforación 15/1,7 mm/mm



Carrera del pistón 35 95 mm

Frecuencia de golpeo 1500 a 3400 golpes/min.

Velocidad de rotación 40 400 RPM

Consumo relativo de aire 2,1 2,8 (m3/min cmdiámetro)

El campo de aplicación de las perforadoras neumáticas de martillo en cabeza se ha idoestrechando cada vez más hacia perforaciones cortas de longitudes entre 3 y 15 m, y diámetrosentre 50 mm a 100 mm, fundamentalmente debido a que la frecuencia de impactos y la forma de laonda de choque que se transmite con pistones de gran diámetro conllevan a un elevado consumode aire comprimido (2,4 m3/min por cada centímetro de diámetro) y a fuertes desgastes que seproducen en todos los accesorios (barras, manguitos, brocas, etc.).

Estas características constituyen la principal desventaja de las perforadoras neumáticas. Noobstante, estos equipos presentan aún numerosas ventajas:

Gran simplicidad de manejo. Fiabilidad y bajo costo de mantenimiento. Facilidad de reparación. Bajos precios de mercado. Posibilidad de funcionar conectados a antiguas instalaciones de aire comprimido de minassubterráneas.

Perforación mecanizada

La necesidad de incrementar los diámetros de perforación (sobre 3") para responder a mayoresritmos de producción en las faenas mineras, y el desarrollo tecnológico en el ámbito de laautomatización de las operaciones introdujeron importantes cambios a la perforación de rocas.

La mecanización utiliza sistemas que permiten relacionar los valores de las variables de rotación,empuje, percusión, barrido con los de las variables dependientes de la roca (dureza, resistencia) ycon las posibilidades de los equipos de perforación, en función de una mayor velocidad depenetración y mayor rendimiento, que en definitiva llevan a un menor costo por metro perforado.

Perforadoras hidráulicas con martillo en cabeza (O.T.H)

A finales de los años sesenta y comienzo de los setenta tuvo lugar un gran avance tecnológico enla perforación de rocas a causa del desarrollo de los martillos hidráulicos.

Una perforadora hidráulica consta básicamente de los mismos elementos que una neumática. Sinembargo, la principal diferencia entre ambos sistemas radica en que las perforadoras hidráulicasutilizan un motor que actúa sobre un grupo de bombas, las que suministran un caudal de aceiteque acciona los componentes de rotación y movimiento alternativo del pistón.



Martillo hidraúlico

Aunque en un principio la introducción de estos equipos fue más importante en trabajossubterráneos, con el tiempo se han ido imponiendo en las faenas de perforación de superficie,complementando a las perforadoras neumáticas.

La perforación hidráulica supone una superioridad tecnológica en relación con la perforadoraneumática debido a las siguientes características:

Menor consumo de energíalas perforadoras hidráulicas trabajan con fluidos a presiones muy superiores a lasaccionadas neumáticamente y, además, las caídas de presión son mucho menores. Por lotanto, la utilización de la energía es más eficiente, siendo necesario sólo 1/3 de la energíaque se consume con los equipos neumáticos.Menor costo de accesorios de perforaciónen los martillos hidráulicos la transmisión de energía se efectúa por medio de pistones másalargados y de menor diámetro que los de los martillos neumáticos. La fatiga generada enlas barras depende de la sección y del tamaño del pistón. La forma de la onda de choque esmucho más uniforme en los martillos hidráulicos que en los neumáticos, donde se producenniveles de tensión muy elevados, que son el origen de la fatiga sobre el acero y de una seriede ondas secundarias de bajo contenido energético. En la práctica, se ha comprobado quela vida útil de la sarta se incrementa en 20% para perforadoras hidráulicas.Mayor capacidad de perforacióndebido a la mejor transmisión de energía de la onda, las velocidades de penetración de lasperforadoras hidráulicas son entre 50% y 100% mayores que en los equipos neumáticos.Mejores condiciones ambientaleslos niveles de ruido en una perforadora hidráulica son sensiblemente menores a losgenerados por una neumática debido a la ausencia del escape de aire. Además, latecnología de la perforadora hidráulica ha logrado el desarrollo de mejores diseños deequipos, haciendo que las condiciones generales de trabajo y seguridad sean mucho másfavorables.Mayor elasticidad de la operaciónen la perforadora hidráulica es posible variar la presión de accionamiento del sistema, laenergía por golpe y la frecuencia de percusión.Mayor facilidad para la automatizaciónestos equipos son mucho más aptos para la automatización de operaciones, tales como elcambio de varillaje y mecanismos antiatranque, entre otros.

Por el contrario, los inconvenientes que presentan son:

Mayor inversión inicial debido a todos los componentes asociados a la perforadora,a su sistema de avance automático y a las características de las fuentes de energíaque utiliza (energía eléctrica e hidráulica).

Reparaciones más complejas y costosas que en las perforadoras neumáticas,requiriéndose una mejor organización y formación de personal de mantenimiento.

Principales características



Característica Unidades

Presión de trabajo 7,5 25 MPa

Potencia de impacto 6 20 kw

Frecuencia de golpeo 2000 5000 golpes/min

Velocidad de rotación 1 500 RPM

Consumo relativo de aire 0,60,9 (m3/min. cm diámetro)

Perforadoras con martillo en fondo (D.T.H)

Los martillos que poseen estos equipos fueron desarrollados por Stenuick en 1951, y desdeentonces se han venido utilizando tanto en minas a cielo abierto como en minas subterráneasasociadas al uso de métodos de explotación de tiros largos (L.B.H.) y V.C.R.

Actualmente, en el caso de obras de superficie, este método de perforación está indicado pararocas duras y diámetros superiores a los 150 mm.

El funcionamiento de un martillo en fondo se basa en que el pistón golpea directamente a la brocadurante la perforación, generalmente con una frecuencia de golpeo que oscila entre 600 y 1.600golpes por minuto.

El fluido de accionamiento es aire comprimido, que se suministra a través de un tubo queconstituye el soporte y hace girar el martillo. La rotación es efectuada por un simple motorneumático o hidráulico montado en el carro situado en superficie (figura anterior).



La limpieza del detrito se efectúa por el escape del aire del martillo a través de los orificios de labroca.

Parte interior de un martillo D.T.H.

Considerando la posible percusión en vacío de los martillos que implica una pérdida de energía,los martillos de estas perforadoras suelen ir provistos de un sistema de protección, que cierra elpaso del aire al cilindro cuando la broca no se apoya en la roca del fondo del taladro.

En el caso de la perforación de rocas en presencia de agua, puede ocurrir que la columna de aguadisminuya el rendimiento de la perforación, por lo que es aconsejable disponer de un compresorcon una presión de aire suficiente para proceder a la evacuación del líquido.

En cuanto al empuje, una regla práctica es la de aproximarse a los 85 kg por cada centímetro dediámetro. Un empuje excesivo no aumentará la penetración, sino que acelerará los desgastes de labroca y aumentará los esfuerzos sobre el sistema de rotación. Cuando se perfore a alta presión(en rocas de gran resistencia como un granito) se precisará al inicio una fuerza de avanceadicional para superar el efecto de contraempuje del aire del fondo de la perforación. Por elcontrario, cuando la profundidad de perforación sea grande (sobre 20 metros) y el número detubos sea tal que supere el peso recomendado será necesario entonces que el perforista accionela retención y rotación para mantener un empuje óptimo sobre la broca.

Las velocidades de rotación recomendadas varían en función del tipo de roca. Los valores seseñalan en la siguiente tabla:

Velocidades de rotación aconsejadas en función del tipo de roca

Tipo de roca Velocidad de rotación (RPM)

Muy blanda 4060

Blanda 3050

Media 2040

Dura 1030

En la práctica, puede ajustarse la velocidad de rotación a la de avance utilizando la siguienteexpresión:

Velocidad de rotación (RPM) = 1.66 x Velocidad de penetración (m/h)



En cuanto al tamaño de las barras, éstas deben tener dimensiones adecuadas que permitan lacorrecta evacuación de los detritos por el espacio anular que queda entre ellas y la pared delbarreno. Los diámetros recomendados en función del diámetro de perforación se señalan en lasiguiente tabla:

Diámetros recomendados en función del diámetro de perforación

Diámetro de perforación (mm) Diámetro de las barras (mm)

102115 76

127140 102

152165 114

200 152

La perforación con martillo en fondo presenta ventajas en relación con la utilización del martilloen cabeza:

La velocidad de penetración se mantiene prácticamente constante a medida queaumenta la profundidad de la perforación. Los desgastes de las brocas son menores que con martillo en cabeza debido a que elaire de accionamiento que pasa a través de la broca limpiando la superficie del fondoasciende eficazmente por el pequeño espacio anular que queda entre la tubería y la pareddel pozo. La vida útil de las barras es más larga en relación con las utilizadas con martillo encabeza. Las desviaciones de los barrenos son muy pequeñas, por lo que son apropiados paraperforaciones de gran longitud. El costo por metro lineal en diámetros grandes y rocas muy duras es menor que conperforación rotativa. El consumo de aire es más bajo que con martillo en cabeza neumático. El nivel de ruido en la zona de trabajo es inferior al estar el martillo dentro de laperforación.

El martillo en fondo presenta ciertos inconvenientes respecto del martillo en cabeza, los que seseñalan a continuación:

Cada martillo está diseñado para una gama de diámetros muy estrecha, que oscila entre12 y sobre 200 mm. El diámetro más pequeño está limitado por las dimensiones del martillo con unrendimiento aceptable, que en la actualidad es de unos 76 mm. Existe un riesgo de pérdida del martillo dentro de los barrenos por desprendimientos deroca. Se precisan compresores de alta presión con elevados consumos energéticos.

Dimensiones y características principales



En la siguiente tabla se señalan las principales características de algunos martillos en fondo:

Diámetros recomendados en función del diámetro de perforación

Características Dimensiones

Diámetro de perforación (mm) 100 125 150 200 300

Diámetro del pistón (mm) 75 91 108 148 216

Carrera del pistón (mm) 100 102 102 100 100

Peso del martillo (kg) 38,5 68,5 106 177 624

Consumo de aire (m3/min a 1 MPa) 4,7 6,7 10,1 17,1 28,2

Accesorios de perforación en equipos mecanizados

DeslizaderasUno de los accesorios que sirven para alojar el elemento de perforación (pistón) y realizar elavance en forma mecanizada es la llamada "deslizadera", la que va montada en los brazosde los jumbos y a la que se puede incorporar un conjunto de aparatos automatizados eintegrados al panel de control del operador.Deslizaderas de cadenaeste sistema de avance está formado por una cadena que se desplaza por dos canales y quees arrastrada por un motor neumático o hidráulico, según el fluido que se utilice en elaccionamiento del martillo, a través de un reductor y piñón de ataque. La cadena actúasobre la cuna del martillo que se desplaza sobre el lado superior de la deslizadera.Este sistema es muy utilizado tanto en equipos de superficie como subterráneos debido asu bajo precio, a la facilidad de reparación y a la posibilidad de lograr grandes longitudes deperforación. Algunos inconvenientes de este sistema son los mayores desgastes enambientes abrasivos, el peligro que representa si se rompe la cadena perforando haciaarriba y la dificultad de conseguir un avance suave cuando las penetraciones sonpequeñas.



Deslizaderas de tornilloen estas deslizaderas el avance se produce al girar el tornillo accionado por un motorneumático. Este tornillo es de pequeño diámetro en relación con su longitud y está sujeto aesfuerzos de pandeo y vibraciones durante la perforación. Por esta razón, no son usualeslongitudes superiores a los 1,8 m.Las principales ventajas de este sistema son: una fuerza de avance más regular y suave, ygran resistencia al desgaste. Se trata, además, de un sistema menos voluminoso y másseguro que el de cadenas.Sin embargo, los inconvenientes que presentan son: un alto precio, mayor dificultad dereparación y longitudes limitadas.

Deslizaderas hidráulicasel rápido desarrollo de la hidráulica en la última década ha hecho que este tipo dedeslizaderas se utilice incluso en perforadoras neumáticas. El sistema consta de un cilindrohidráulico que desplaza la perforadora a lo largo de una viga soporte. Las deslizaderashidráulicas presentan las siguientes ventajas: simplicidad y robustez, facilidad de control yprecisión, capacidad para perforar grandes profundidades y adaptabilidad a gran variedadde máquinas y longitudes de barrenos.Por el contrario, los problemas que plantean son: mayores precios, la necesidad de contarcon un accionamiento hidráulico independiente, se adaptan mejor en las perforadorasrotativas que en las percutivas y presentan más desgastes en el cilindro empujador.Sarta de perforaciónEsta es uno de los componentes más importantes del equipo de perforación, pues se tratade la estructura que conecta la perforadora con la roca. La sarta está compuesta de lossiguientes elementos:Adaptadores de culatacorresponden a aquellos elementos que se fijan a las perforadoras para transmitir la energíade impacto, la rotación y el empuje.Manguitos o coplasson estructuras que sirven para unir las barras hasta conseguir la longitud deseada,asegurando que los extremos estén en contacto para una mejor transmisión de energía.Barras de extensiónson las barras empleadas cuando se perfora con martillo en cabeza. Éstas tienen secciónhexagonal o circular y en el caso de emplear perforación manual, generalmente lo que seusa son las barras (barrenas) integrales, las cuales tienen unida la barra y el bit, eliminandoel empleo de coplas y mejorando la transmisión de energía. Los principales tipos de barrasintegrales son: Barras tipo cincel: son las más usadas y se caracterizan por su bajo costo y reparación. Barras de insertos múltiples: para rocas blandas y fisuradas. Barras de botones: usadas para rocas poco abrasivas, de fácil penetración. Por ejemplo,se utilizan en minas de carbón.Brocaslas brocas o bits son los elementos que están en directo contacto con la roca que se estáperforando. Por esta razón, las características de la roca son importantes de considerar almomento de escoger el tipo de broca.



Las brocas que se utilizan en la perforación son de dos tipos: Pastillas o plaquitas BotonesRoscasestos elementos tienen la función de unir las culatas, coplas, barras y brocas, obteniendoun ajuste eficiente entre los elementos de la sarta para lograr una adecuada transmisión deenergía. Es importante considerar que un apriete excesivo dificulta el desacoplamiento.

Tubosel uso de perforadoras hidráulicas con martillo en cabeza en perforaciones de gran diámetro(sobre 115 mm) ha llevado a diseñar tubos de perforación específicos que poseen lassiguientes ventajas: Mayor rigidez, lo que permite reducir las desviaciones. Mejor transmisión de la energía, al no ser necesario el uso de coplas. Mejor barrido, al existir una mejor transmisión del aire en el espacio anular.Respecto de los materiales con que se construyen la sarta y sus componentes, esimportante considerar que los aceros empleados en la estructura de la sarta deben serresistentes a la fatiga, a la flexión, a los impactos y al desgaste. Lo ideal es utilizar aceroscon un núcleo no muy duro y una superficie endurecida y resistente al desgaste de acuerdocon lo siguiente: Aceros de alto contenido en carbono, en los que la dureza deseada se consiguecontrolando la temperatura en el proceso de fabricación. La culata se trata por separadopara conseguir una alta resistencia a los impactos. Aceros de bajo contenido de carbono, que se utilizan en barras, adaptadores, coplas ybrocas. Se trata de aceros que contienen pequeñas cantidades de cromo y níquel,manganeso y molibdeno. Los insertos de las brocas se fabrican a partir de carburo de tungsteno y cobalto, ya queestos materiales se caracterizan por su alta resistencia al desgaste y tenacidad, y puedenconseguirse diferentes combinaciones variando el contenido de cobalto entre 6% y 12%.Criterios de selección brocas para martillos DTH (Drillco Tools)

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