PERFORACIN Y VOLADURA I

Calidad que se acredita internacionalmente

ASIGNATURA

PRIMERA UNIDAD

TEMA N 13 PERFORACIN ROTATIVA POR CORTE

DOCENTE: Ing. Benjamn Manuel Ramos Aranda

Huancayo, 2015

Asignatura: Perforacin y Voladura I

MATERIAL DE ESTUDIO:

TEMA N 13 PERFORACIN ROTATIVA POR CORTE

PERFORACIN ROTATIVA POR CORTE.

Compilado y adaptado de:

LPEZ JIMENO, Carlos; LPEZ JIMENO, Emilio; GARCA BERMDEZ, Pilar. Madrid: Ed. Entorno Grfico Manual de Perforacin y Voladura de Rocas.

Madrid, 2003. UBICACIN: Biblioteca UCCI: 622.23/L87

Material preparado con fines de estudio de alumnos del curso de Perforacin y Voladura de

la Universidad Continental

./

Captulo6./

./

./PERFORACION ROTATIVA POR CORTE

./

./ 1. INTRODUCCION

La perforacinrotativapor cortetuvosu mximodesarrolloen la dcadade losaos40en lasminasamericanasdecarbnparael barrenadodelrecubri-mientoy del propiomineral.Con la aplicacincre-

./

./

./

./

a) BOCAS BILABIALES

./

~1fld

I

./

./

./

b) BOCAS TRIALETAS y MULTIPLES

./

./

./

./

./

e) BOCA ESCARIADORA

~Figura6.1. Tiposdebocasparaperforacinporcorte.

./

cienteen cieloabiertode los equiposrotativoscontricono,estemtodohaquedadolimitadoalcampodelasrocasblandascondimetrosgeneralmentepeque-oso medios,enclaracompetenciaconlossistemasdearranquedirecto.Entrabajossubterrneoshasidola perforacinrotopercutivalaqueharelegadoa losequiposrotativosa lasrocasdedurezabajaamediaypocoabrasivas,potasas,carbn,etc.

Laperforacinporcorteenlosbarrenosdeproduc-cinserealizaconbocascuyaestructuradisponedeelementosdecarburode.tungstenou otrosmaterialescomolosdiamantessintticospolicristalinos,queva-ranensuformay ngulo,pudindosedistinguirlossiguientestipos:

a) Bocasbilabialesodetenedor,endimetrosde36a50mm.

b) Bocastrialetasomultialetas,endimetrosde50a115mm.

c) Bocasde labiosreemplazables,con elementosescariadoresy perfildecorteescalonadoen di-metrosdesde150mmhasta400mm.

2. FUNDAMENTO DE LA PERFORACION PORCORTE

Lasaccionesdeunabocadecortesobrelarocason,segnFish,lassiguientes:

1. Deformacioneselsticaspor lastensionesdebidasa ladeflexinangularde la bocay torsin a la quese sometea la misma.

2. Liberacin de las tensionesde deformacin,conun impacto subsiguiente del elemento de cortesobre la superficiede la roca y conminucin desta.

3. Incrementode tensionesen la zona de contactoboca-roca con desprendimientode uno o variosfragmentosqueunavezevacuadospermitenreini-ciar el nuevo ciclo. Fig. 6.2.

103

Las experiencias realizadas por Fairhurst (1964)demuestran que. el empuje y el par de rotacin sobrela boca sufren grandes variaciones debido a la natu-raleza discontinua de formacin de los detritus. Fig. 6.3.

----(o)

(b)

(e)

Figura 6.2. Secuenciade corte (Fish y Barker, 1956).

N

667

- EMPUJEn- PAR DE ROTACION

ARENISCA DARLEY DALEVELOCIDAD DE CORTE 229 mmJmln1b

150

445 100

U- 222 50

Figura 6.3. Curvas de Desplazamiento - Fuerza de una bocade corte.

""

La fuerza de corte es funcin de la geoni'1;trade laboca, la resistencia de la roca y la profundidad decorte. Esta fuerza se descompone en dos: una tangen-cial N, y otra vertical E, Fig. 6.4.

DETRITUS

SUPERfiCIE NUEVA

N,

SUPERFICIE ANTIGUA ZJE

- -------------

Figura 6.4. Fuerzas que actansobre el til de corte.

104

'-La fuerza tangencial es la que vence el esfuerzo

resistentede la roca frentea la rotacinde la boca.ElparT,,medidoenelejedelelementodeperforacin,es el producto de la fuerza tangencial por el radio de la "-boca. El par resistente sobre el rea total.de corte,suponiendo que sea una corona circular, viene dadopor: ,

2 3 3T=- xErO-r,

3 J.! 2 2ro - r 1 \...

donde:

T, = Par resistente.J.! - Coeficiente de friccin de la roca.E = Empuje sobre la boca.ro = Radio exterior de la boca.r1 = Radio interior de la boca.

'-

'-..

Este par resistente es determinado por el mnimopar de la perforadora que permite penetrar la roca.Denominando re al radio efectivo de la boca, quese hace igual a

,

"

2 rO3-r3r = -x ,e 3 rO2-r2

'-..

la ecuacin anterior se transforma en

T, = J.! x E x re.

Se deduce que si J.!es constante, el par es pro-porcional al empuje que se ejerce sobre el til de '-..corte. En la realidad, el coeficiente J.1no es cons-tante, ya que vara con el espesor de corte y con elpropio empuje.

El ndice que determina la penetracin en la rocase obtiene por la relacin entre la energa consumidapor la perforadora y la energa especfica de la roca.La energa total consumida por el equipo es '-..2N,T,,siendo N, la velocidad de rotacin, por loque se obtendr:

,

,

vp = 2 x x N, x T, - x J.! x E x N,x reEv x A, Ev x A,

,donde:

Ev - Energa especfica de la roca.A, ,-:-Area de la seccin transversal del barreno.

'-

,De esta relacin se deduceque la velocidadde pe-

netracinpara una roca dada y para un dimetrodeperforacindeterminadoes linealmenteproporcionalal empuje y a la velocidad de rotacin, aunque en la 'prctica no es totalmente cierto, ya que como se haindicado el coeficiente de friccin de la roca vara con

el empuje. En la Fig. 6.5 se observa que existe un valor '-..de empuje por debajo del cual no se consigue la velo-cidad de penetracin terica, sino un desgaste exce-sivo, y un valor lmite que si se supera produce elagarrotamiento de la boca.

'-

o 025 0,5 'o 75 10 125 In1 1 I I I I

O 6 12 5 19 25 30 mm

DISTANCIA DE CORTE

./

./

PE RFORACION ROTATIVA CON

1O INYECTORDE AIRE (ABRASIVIDAD (D,3) ,. I INYECTOR DE AGUA (ABRAS IVI DAD )0,3)'ROTATIVA (VARILLA HELICOIDAL)

ZONA DEPERFORACIONROTATIVA

0.9

J

o

(/)

WO

0.6

0.8

0,7

J

./

0.5

0.4

J0.3

0.2

J 0.1

o./

@

2,5 m./m,n.

ESCALA DE DUREZA O PERFORABILlDAD

Figura 6.6. Clasificacindelasrocassegnsuperforabilidady abrasividad(Eimco-Secoma).../

../Zona I

JPerforacin rotativa con pocoempuje.

. Empuje: 1 a 8 kN.

../

. Velocidad de rotacin: 800 - 1.100r/min.

. Perforacin en seco.

./

. Tipos de roca: carbn, patasa, sal, yeso y fosfatoblando.

. Utiles:- Barrenasespirales.- Bocas bilabiales../

./

rJ. = 11 0 ~ 125

~= 75Y = 0 ~ 14

. Yelocidades de penetracin = 3,5 a 5 m/min.

. Con aire hmedolasvelocidadesde peKtracinse multiplican por 1,5 y 2.

./

../ Zona 11

../

. Empuje: 8 a 12 kN,

. Velocidad de rotacin:550 a 800r/min,

. Perforacin con inyeccin de aire hmedo.

. Tipos de roca: calizay bauxitas blandas, mineralesde hierro blandos.

./

J

. Bocas de corte:rJ. = 125

~= 75 - 80

J

y = 0 a 2

. Velocidad de penetracin: 2 a 3,5 m/min.

Zona111

. Empuje: 12 a 18 kN.

. Velocidad de rotacin:300 a 550 r/min,

. Perforacin con inyeccin de agua.

. Tipos de roca: bauxitas y calizas medias, esquistossin cuarcitas, yesos duros y fosfatos duros.

. Bocas de corte:rJ. = 125 - 140

~= 80Y = -2 a 6

" . Velocidades de penetracin: 1 a 1,8 m/min.La potencia de rotacin, en Hp, necesaria para ha-

cer girar un trpano se calcula con la frmula si-guiente:

.

HP, = 8,55 x 10- 9 X D2 X N, X E2

donde:

D = Dimetro (mm).N, = Velocidad de rotacin (r/min).E = Empuje(kN).

El par de rotacin necesario se determinaa partirde la expresin:

105

T =, HP251,14N,

donde:

T, = Par de rotacin (kN.m).

3. EVACUACION DEL DETRITO

Eldetrito de perforacinseeliminacon unfluidodebarrido que puede ser aire, en los trabajos a cieloabierto,aguao airehmedoen lostrabajosde interior.

Las ventajas que reporta el empleo de aire coninyeccinde agua son las siguientes:

~n_~.IE--~ !

T: :0 .~ ; m_- ;- c:=JJ-: 1

~.~_m~-'

~

~>-,

- Facilita la evacuacin de detritus y aumenta la ve-locidad de avance.

- Refrigera las bocas de perforacin y disminuye losdesgastes.

- Evita el col matado del barreno.

- Elimina el polvo, lo cual es importante en terrenosabrasivos.

Segn Eimco-Secoma para la inyeccin de aire h-medo se necesita del orden de 1.000 a 1.500 I/min de

aire y por cada perforadora unos 250cm j/min de agua.En rocas muy blandas de 30 a 40 MPa puede em-

plearse varillaje helicoidal, de paso mayor cuanto msgrande sea la velocidad de penetracin, para evacuarel detrito, Fig. 6.7.

Fig. 6.7. Varilla helcoidal y bocas de perforacin con distintas configuraciones.

En la Tabla 6.2 se indican, adems de las velocida-des tpicas de penetracin en diferentes tipos de rocas.el sistema de barrido que se emplea comnmente en laperforacin de barrenos.

Como puede observarse, para velocidades de pene-tracin por debajo de 3 m/min el flui.dodel barrido sueleser el agua, mientras que por encima de esa velocidadse realiza en seco o con aire hmedo.

TABLA 6.2.

'"

4. UTILES DE CORTE

La eficiencia de corte de un til depende en granmedida del diseo del mismo, de acuerdo con el tipo deroca que se desea perforar. Fig. 6.8.

El ngulo de ataque "Cl vara generalmenteentre110y 140,siendo tanto ms obtuso cuanto ms duraes la roca a perforar, pues de lo contrario se produ-cira el astillamiento del metal duro. En ocasiones se

llega a diseos con contornos redondeados.

El ngulo del labio de corte ~vara entre 75 y

106

80 Y el ngulo de corte y entre -6 y 14, siendopositivo en rocas blandas y negativo en rocas duras.

Por ltimo,el ngulodedesahogovale8 = 90 - ~.= y.

Un punto de la boca de corte situado a una distan-cia "r, describe una hlice cuyo ngulo es:

J = arctg ( ---E- )2rcr

TIPO DE ROCA VELOCIDAD DE PENETRACION SISTEMA DE BARRIDO(m/min)

.

Yeso duro 1,5 - 2 Agua

Caliza, bauxita 1,5 - 2,5 AguaPizarra 1,5 - 3 Agua o en secoMineral de hierro blando 3-8 Aire hmedo o en seco

Yeso blando 3,5 - 6 Aire hmedo o en seco.

// zO()

o

JW>

PERDIDA DE LlNEALlDADDEBIDA A UN DESGASTEEXCESIVO DE LA ROCA

--"7-r-LIMITE PORAGARROTAMIENTODE LA BOCA

/

/

/

/

EMPUJE APLICADO

/ Figura6.5. Relacinentreelempujey la velocidaddepene-tracin (Fish y Baker, 1956).

'./

La velocidad de rotacin estlimitada por el cre-/ cientedesgastequesufrenlasbocasal aumentarel

nmerode revoluciones.Ademsde la propia abrasi-vidaddelasrocas,esnecesariotenerencuentaquelos

./ desga,stesaumentanconforme se aplica un empujemayory las fuerzas de rozamientoentre la roca y laboca se hacen ms grandes.

EnlaTabla 6.1se dan los empujesyvelocidadesde/ rotacinrecomendadosenfuncindeldimetrodelos

barrenosy resistenciaa compresinde la roca.Como lmites prcticosde la perforacinrotativa

/ puedenfijarse dos: la resistenciaa la compresindelas rocas,que debe ser menorde 80 MPa, y el conte-nido en slice, que debeser inferioral 8%, puesdelo

./ contrario los desgastessern antieconmicos.Eimco-Secoma ha desarrollado un ensayo para me-

dir la perforabilidady abrasividadde las rocas. Con-siste en efectuar sobre una muestra de roca un taladro

./ con un empuje y una velocidad de rotacin constantes,la boca es de carburo de tungstenoy el barrido conagua.

./

",.

./

./

./

./

../

/

Se obtiene una curva de penetracin-tiempo,y apartirde stael ndice de perforabilidado durezaex-presadaen1/10mmdeavanceymidiendoeldesgastesufridoporel til calibradodurante30segundos sedeterminala abrasividaden dcimas de mm de des-gastedel borde.

Las rocas se clasifican,en funcin de los dos par-metros,encuatrogrupos ozonasquepermitendefinirlos mtodosde perforacinms adecuados.Fig. 6.6.

Zona I

Zona de dureza muy dbil y de poca abrasividad.Dominio de la perforacin rotativaen seco, presinpequea. .

Zona 11

Zona de dureza dbil y poca abrasividad. Dominio de

la perforacin rotativaenseco,o con inyeccin de airea presi.n media.

Zona 111

Zona de dureza media y pocaabrasividad.Dominiode la perforacin rotativa, empujes grandes con inyec-cin de aguaa alta presin. El empuje sobre la barrenapuede llegar hasta 20 kN.

Zona IV

Zona de gran dureza y alta abrasividad. Dominio dela roto-percusinhidrulica.

Los parmetros de perforacinque correspondenacada zona, para unos dimetros de perforacin com-prendidosentre 30 y 51 mm, son segn Secomalossiguientes:

TABLA 6.1

107

RESISTENCIA A EMPUJE DIAMETRO DEL VELOCIDAD DECOMPRESION UNITARIO BARRENO GIRO

(MPa) (/mm) (mm) (r/min)

< 30 < 140 < 50 > 80030 - 50 140- 210 > 75 > 100

75 70 - 100

> 50 > 210 75 < 70

,

siendopelavancede labocaencadagirocompleto.

ROTACIONDE BOCA -

fi{

1ORrFICIO PARA

-BARRIDO CONAIRE O AGUA

(o)

Figura6.8. Anguloscaractersticosdeuntildecorte(FishyBarker, 1956).

Fig.6.9. Trayectoriadeunpuntodelaboca(Fairhurst,1964).

Debido al movimientode la boca a lo largo de lahliceel ngulo de desahogoefectivoes menor:

;=6-OO

En puntosprximosal centrode lab5caesen-guloefectivoes cero,ya queen esaszonasel tilcomprimea la roca,deahqueen la mayorade losdiseosexistaun espaciolibreen la partecentralquepermiteconseguirmayoresvelocidades.

A finalesde losaos70 la GeneralElectricfabriclos primerosDiamantesCompactosPolicristalinos-PDC,obtenidosa partirde unamasade partfculasmuyfinasde diamantesinterizadasbajo presionesextremas,yenformadeplaquitasquesemontansobreunasbasesdecarburodetungstenocementadoforma-dasa altaspresionesytemperaturas.El materialcom-puestoresultanteposeeunaresistenciaa la abrasinexcepcionalcon unaaltaresistenciadel carburodetungstenoa losimpactos.

108

Los diamantesactualessonestablestrmicamentehastalos 1200DCenambientesnooxidantesy estndisponiblesentamaosdesdelos 0,005hasta0,18g(0,025a 0,9quilates)conformasdeprismastriangula-res,paraleleppedosycilindros.

--l\r5 ANGULODE CORTE4 ORIFICIOS ~ X7DE BARRIDO ~I

DIAMETRO76 mm

7 PLAQUIT ASDE DIAMANTES

CANALES DEEVACUACIONDEL DETRITOS

PROTECCION-DE CARBURODE TUNGSTENOO DIAMANTES

SECCIONx-x

Fig. 6.10. Boca de perforacin con plaquitas de diamante.

Adems de utilizarseen trabajosde exploracinensondeos, las bocas de diamantesse usan en minerasubterrneade carbn,potasa,salesy yesosparaper-forarbarrenosde pequeodimetro,en el rangode 35mma 110mm.

En muchos casos las velocidadesde penetracinobtenidas y las vidas de estas bocas son bastantesuperioresa lasconvencionales.

Foto1. Equipodeperforacinrotativacon varillajehelicoidalenunaminadepotasa.