tecno-uda 02 propiedades de las rocas

8/12/2019 TECNO-UDA 02 Propiedades de Las Rocas

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La Universidad de la Región de AtacamaInstituto Tecnológico

Cátedra de Perforación y Tronadura

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Minerales y rocas.

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Corteza terrestre y rocas

La corteza de la tierra consiste en una variedad de rocas que fueron formadas bajo

diferentes circunstancias.



1 Dispersión-Calcita2 Cuerpos mineralizados Pirita Calcopirita3 Bauxita y otros esquistos4 Carbonífera Cuarzo

5 Cuerpos mineralizados Azurita Cuprita6 Sedimentos Oro plata diamante7 Roca volcánica mica magnetita8 metamórfica carbonifera cuarzo9 metamórfica calcárea Calcita dolomita10 Zona de contacto súlfuros

Las rocas están compuestas por uno o más minerales.



Minerales

Un mineral es una substancia formada por la naturaleza. Un mineral puede ser un

elemento o puede consistir en compuestos químicos que contienen varios

elementos. Hay más de 3,000 diferentes minerales.



De los 103 elementos conocidos, el oxígeno es lejos el más común abarcando

aproximadamente el 50 % de la corteza de la tierra, el Silicio aproximadamente el

25 %.

Entre el aluminio, hierro, calcio, sodio, potasio, magnesio y el titanio, junto con

oxígeno, abarcan sobre 99 %.



Características de los minerales

Algunas de las características de los minerales son macroscópicas como:

Dureza

Densidad

Color

Rayado

BrilloFracturación

Hendidura

Cristales



Clasificación de las rocas.

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Una de las situaciones un poco complicadas y muy frecuentes que se debe enfrentar

en un proyecto minero, es definir el tipo de roca presente en el yacimiento mineral.

Para lo cual, se deben efectuar todos los análisis y estudios tendientes a definir su

mas cercana composición, dada la importancia que va a tener en el resultado del

proyecto como por ejemplo en los costos de perforación, rendimientos de equipos,

etc.



Clasificación de las rocas desde el punto de vista genético

Las rocas son clasificadas en tres grupos principales relativos a la base de su origen

y la manera en se formaron:

Rocas ígneas o magmáticas

Rocas sedimentarias

Rocas metamórficas



Rocas Ígneas

Las rocas ígneas son las formadas por la solidificación de una masa fundida, mezcla

de materiales pétreos y de gases disueltos, denominada magma.

Si la roca se ha enfriado en contacto con el aire o el agua de la superficie terrestre,

se la clasifica como roca ígnea extrusiva o volcánica. Cuando el magma se enfría por

debajo de la superficie terrestre se forma una roca ígnea intrusiva o plutónica.



El componente (minerales) más importante es el cuarzo y silicatos de varias

composiciones, principalmente el feldospato de roca plutónica, solidifica despacio y

se forma por consiguiente grano tosco, mientras las rocas volcánicas solidifican

rápidamente y se vuelven en grano fino



Rocas Metamórficas.

Las rocas metamórficas son originadas por importantes transformaciones de los

componentes mineralógicos de otras rocas preexistentes.

Estos grandes cambios se producen por la necesidad de estabilizarse sus minerales

en unas nuevas condiciones de temperatura, presión y químicas.



Esto resulta en la re-cristalización de los granos minerales o la formación de nuevos

minerales.

Una característica de las rocas metamórficas son que ellas se forman sin una

completa fundición. Ellas son también frecuentemente muy duros y tienen un polvo

fino y compacto, y es por consiguiente a menudo difícil de perforar.



Así la roca original determina las características de la roca sedimentaria. El desgaste

o corrosión pueden proceder a diferentes proporciones que dependen en parte de

clima y en parte en cómo fácilmente la roca se separa.



El ciclo de las rocas.



Factores que afecta la

perforación de rocas

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1 Perforabilidad

Es un indicador que da a conocer la mayor o menor resistencia que ofrece una roca

para ser perforada.

En la mayoría de los casos es difícil clasificar una especie de roca de acuerdo a su

perforabilidad.

Se quiere saber si la roca es fácil de perforar, si el pozo será estable o no ….



Se han hecho muchos esfuerzos por clasificar la roca en base a su perforabilidad, y

varios métodos de medición han evolucionado con el animo de desarrollar la forma

de predecir la productividad y la herramienta de perforación, llevando a cabo pruebas

de laboratorio antes de iniciar un trabajo de perforación de roca.

Si una roca no es fácil de perforar, como nos afecta ?? Como afecta en los costos??

Como afecta en la vida de los equipos, de los bit, generación de barras perdidas??

Tiempos de entrega de una frente



El término ”perforabilidad” se usa para dar a conocer la proporción a la que la

herramienta penetra en la roca, pero en el sentido más amplio se extiende a la

calidad del agujero, rectitud del agujero, al riesgo de que la herramienta se bloquee

etc.

Para poder prever el resultado de la perforación con respeto a la proporción de

penetración, calidad del agujero, taladro-acero, costos, etc., se debe poder hacer una

apreciación correcta de la roca involucrada.



2 Factores y Parámetros que Influyen en la Perforabilidad

Muchos son los parámetros que afectan a la Perforación, algunos de estos son

controlables dentro de ciertos rangos y otros son totalmente independientes.

2.1 Factores y parámetros dependientes: Son controlables dentro de ciertos límites

Factores operacionalesFactores de servicio

Factores geométricos



Factores y parámetrosdependientes

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1 Factores Operacionales:

Son controlables dentro de ciertos límites y su diseño y elección dependen también

de los otros factores que afectan la perforación. Dentro de estos tenemos:

1.1 Perforadora:

Transforma en mecánica las energías, neumática, hidráulica, óleo- hidráulica, y

eléctrica. Su velocidad de perforación depende de su tamaño, potencia, grado de

desgaste, etc.

Es importante trabajar con el equipo adecuado, un jumbo es capaz de perforar

undercut pero no es lo mas optimo.



1.2 Barra:

Aceros altamente resistentes que transmiten la energía mecánica desde la

perforadora hasta la roca. Su eficiencia es afectada por el maltrato, exceso de uso,mala elección, etc. o sus formas o dimensiones no son las adecuadas.

Ejemplo

Barras mal acopladas por falta de lubricación en la uniones desestabilizan la sarta deperforación y produce una perdida de en la transmisión de la energía mecánica.



1.3 Broca o Bit:

Existen de variadas formas y diámetros, sus filos de carburo tungsteno están

destinados a aplicar la energía a la roca. Su pérdida de filo y desgaste diametral

afectan la eficiencia de la perforación.

EjemploUn bit desgasto afecta directamente en la velocidad de perforación del equipo.



1.4 Fluido barredor:

Flujo de aire, agua o barro destinado a extraer los detritos, refrigerar el bit y en

ocasiones mantener la estabilidad de las paredes del tiro. Si el flujo barredor es

deficiente podría provocar una remolienda de detritos, atascamiento de barra o

desgastes diametrales de las brocas que afectarían negativamente la velocidad de

perforación.

Ejemplo

Los bit de perforación se sobrecalientan y se funden, produciendo el retiro de toda la

sarta de perforación, esta situación es critica en la perforación de sondajes.



2 Factores de Servicio

2.1 Mano de Obra

Juega un papel muy importante en la velocidad de penetración y en la vida útil de los

equipos y accesorios, puesto que mientras más experto, responsable y trabajador

sea el personal mejor serán los resultados de la operación.

Ejemplo

Buenos operadores de simba logran buenos rendimientos de 120 metros y malos

operadores solo 20 -30 metros o incluso 240 metros de la mala calidad.



2.2 Ubicación de Faena

Es un factor importante en la operación de perforación, faenas en gran altura tienen

consecuencias en el rendimiento y vida útil de las perforadoras, sus accesorios y

otros equipos.

Ejemplo

El rendimiento de los motores disminuye inversamente a la altura geográfica. (traslado)

Las bajas temperaturas afecta en los sistemas de barrido

El frio afecta en los aceros de perforación, haciéndolos mas frágiles.



3 Factores Geométricos:

Son variables independientes no controlables por el operador, determinadas por la

granulometría deseada, sección del desarrollo, de la potencia del cuerpomineralizado, etc.

3.1 Diámetro de Perforación

La velocidad de perforación es afectada por el diámetro del pozo y del bit de

perforación.

Diámetros pequeños avanza mas



3.2 Profundidad de la perforación

A medida que se profundiza en la perforación, se pierde efectividad en el barrido ya

que se incrementa la pérdida de energía. Además se ve afectado el paralelismo entre

los tiros y se genera la desviación de los pozos.

Ejemplos

Perdida de presión de barrido, mayor tiempo para la evacuación de detritus, por lotanto mayor tiempo de perforación y menor producción.

Tiros paralelos que se han cruzado significa formación de bolones y problemas en el

carguío de los pozos.



Factores y parámetrosindependientes

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Propiedades de las rocas

Una roca está compuesta por varios minerales y entre las propiedades microscópicas

la composición de cada mineral como el tamaño de grano, la forma y distribución de

los granos, afectan de manera importante en la perforabilidad de la roca.



1 Propiedades de las rocas que afectan a la perforación.

Las principales propiedades físicas de las rocas que influyen en los mecanismos de

penetración y consecuentemente en la elección del método de perforación son:

Dureza

Resistencia

Elasticidad

Plasticidad Abrasividad

Textura

Estructura



1.1 Dureza

Se entiende por dureza la resistencia de una capa superficial a la penetración en ella

de otro cuerpo más duro.

En una roca su dureza es función de la composición de los granos minerales

constituyentes, de su porosidad, del grado de humedad, la forma del cristal, etc.



Ejemplo

El cuarzo es uno los minerales comunes en las rocas. Debido a que el cuarzo es un

material muy duro, un volumen de cuarzo alto (SiO2) hacen que una roca sea muy

difícil de perforar y causa mucho trabajo y desgaste al acero de perforación.

Por otra parte, una roca con un volumen alto de calcita es fácil perforar y causa poco

trabajo y desgaste al acero de perforación



1.2 Resistencia

Se llama resistencia mecánica de una roca a la propiedad de oponerse a su

destrucción bajo una carga exterior. Ya sea una fuerza de compresión o tracción.

Las rocas oponen una resistencia máxima a la compresión, comúnmente, la

resistencia a la tracción no pasa de un 10 a un 15% de la resistencia a la

compresión.

Diferencia entre fuerza de compresión y tracción



¿Porqué las rocas tienen una mayor resistencia a la compresión y no a la tracción?

Eso se debe a la fragilidad de las rocas, a la gran cantidad de defectos locales e

irregularidades que presentan y a la pequeña cohesión entre las partículas

constituyentes.

EjemploEn el método de hundimientos es importante la resistencia a la tracción de la roca.



La resistencia de las rocas depende fundamentalmente de su composición

mineralógica.

Entre los minerales integrantes de las rocas el cuarzo es el más sólido, su resistencia

supera los 500Mpa, mientras que los silicatos ferro-magnésicos y los aluminosilicatos

varían de 200 a 500 Mpa, y la calcita de 10 a 20 Mpa.

Por eso, conforme es mayor el contenido de cuarzo, por lo general la resistenciaaumenta.



La resistencia de los minerales depende del tamaño de los cristales y disminuye con

el aumento de estos.

Esta influencia es significativa cuando el tamaño de los cristales es inferior a 0.5 mm.

En las rocas la influencia del factor tamaño en la resistencia es menor, debido a que

también intervienen las fuerza de cohesión inter-cristalinas.

Explicación Al tener cristales mas pequeños, los enlaces serán mas pequeños por lo tanto

aumenta la cohesión de la roca y por lo tanto su resistencia.



Entre las rocas sedimentarias las más resistentes son las que tienen cemento silíceo.

En presencia de cemento arcilloso la resistencia de las rocas disminuye de manera

brusca.

La porosidad en rocas con una misma litología conforme aumenta hace disminuir la

resistencia, puesto que simultáneamente disminuye el número de contactos de las

partículas minerales y las fuerzas de acción recíprocas entre ellas.



Relación entre dureza y resistencia a la compresión

Tal como se detalla en la siguiente tabla existe una cierta correlación entre la dureza

y la resistencia a la compresión de las rocas



1.2.1 Ensayo de compresión uniaxial simple

Ensayo más utilizado para medir la resistencia de compresión de la roca, son

ensayos destructivos

s1f = P / A

s1 crece de 0 a s1f

s

2 ys

3 son ceroRango típico: 10-350 MPa



Resultados de un Ensayo de compresión

215 Mpa

255 MPa

La roca del testigo para el ensayo era Diorita



1.2.3 Ensayo de tracción indirecta (Brasileño)

Una roca cuyo largo es casi igual a su diámetro se rompe en un plano diametral

paralelo al eje del cilindro cuando es cargado lateralmente, es un ensayo que permiteestimar la resistencia a la tracción. El esfuerzo de tensión uniforme y perpendicular

al plano diametral:

s

t,B= 2P / pdt



Resultados de un Ensayo de tracción



Recuerden que la resistencia a la compresión fue de 255 Mpa o sea el 11,5 %.



Tabla de los valores comunes en los minerales



¿ Para los propósitos de la perforación, cual de las dos resistencias es la que

realmente importa determinar o conocer ?

La resistencia a la Compresión o la resistencia a la Tracción



Diagrama de esfuerzo - deformación

1 Deformaciones elásticas:

En esta zona las deformaciones se reparten a lo largo de la probeta y son de

pequeña magnitud y si se retirara la carga aplicada la probeta recuperaría su forma

inicial.



4 Estricción.

Llegado un punto del ensayo, las deformaciones se concentran en la parte central de

la probeta apreciándose una acusada reducción de la sección de la probeta,

momento a partir del cual las deformaciones continuarán acumulándose hasta la

rotura de la probeta por ese zona.



Según el carácter de deformación, en función de las tensiones provocadas para

cargas estáticas, se consideran tres grupos de rocas:

Elasto-frágilesPlástico-frágiles

Altamente plásticas



1.3.1 Elasto-frágiles

Son aquellas que obedecen la Ley de Hooke.



1.3.2 Plástico-frágiles

Son aquellas rocas, que antes de su

destrucción precede una deformación plástica.



1.3.3 Altamente plásticas

Las altamente plásticas o muy porosas, son

aquellas rocas cuya deformación elástica esinsignificante y se produce fuertemente una

deformación plástica antes de la destrucción.



1.3.4 Módulos de Young

El módulo de elasticidad ( E ) es el factor de proporcionalidad entre la tensión normal

en la roca y la deformación relativa correspondiente, su valor en la mayoría de lasrocas varía entre 0.03 X104 y 1.7 x 105 Mpa, dependiendo fundamentalmente de la

composición mineralógica, porosidad, tipo y magnitud de la carga aplicada.

Los valores de los módulos de elasticidad en la mayoría de las rocas sedimentarias

son inferiores a los de los minerales correspondientes que los constituyen.



También influyen en dicho parámetro la textura de la roca, ya que el módulo de

elasticidad en la dirección de la estratificación o esquistosidad es generalmente

mayor que en la dirección perpendicular a ésta.



1.3.5 Coeficiente de Poisson

El coeficiente de Poisson es el factor de proporcionalidad entre las deformaciones

longitudinales relativas y las deformaciones transversales. Para la mayoría de lasrocas y minerales está comprendido entre 0.2 y 0.4, y sólo el cuarzo lo tiene

normalmente bajo, alrededor de 0.07.



1.4 Plasticidad

Como se ha indicado anteriormente, en algunas rocas, a la destrucción le precede

una deformación plástica.

Esta comienza en cuanto las tensiones de la roca superan el límite de elasticidad. En

el caso de los cuerpos idealmente plásticos tal deformación se desarrolla con una

tensión invariable.



La plasticidad depende de la composición mineral de las rocas y disminuye con el

aumento del contenido de cuarzo, feldespato y otros minerales duros.

Las arcillas húmedas y algunas rocas homogéneas poseen altas propiedadesplásticas.

La plasticidad de las rocas pétreas (granitos, esquistos cristalinos y areniscas) se

manifiesta sobre todo a altas temperaturas.



1.5 Abrasividad

La Abrasividad es la capacidad de las rocas para desgastar la superficie de contacto

de otro cuerpo más duro, en el proceso de rozamiento durante el movimiento. Losfactores que elevan la capacidad abrasiva de las rocas son las siguientes:

La dureza de los granos constituyentes de las roca.

Las rocas que contienen granos de cuarzo son sumamente abrasivas.



1.5.1 La forma de los granos.

Los más angulosos son más abrasivos que los redondeados.

1.5.2 La porosidad de las rocas.Da lugar a superficies de contacto rugosas con concentraciones de tensiones locales.

1.5.3 La heterogeneidad.

Las rocas poli-minerales, aunque estos tengan igual dureza, son más abrasivas,

pues van dejando superficies ásperas con presencia de granos duros.



Esta propiedad influye mucho en la vida de los útiles de perforación. En la Tabla se

indican algunos contenidos medios de diferentes tipos de roca.



1.6 Textura

La textura de una roca se refiere a la estructura de los granos de minerales

constituyentes de ésta. Se manifiesta a través del tamaño de los granos, la forma, laporosidad, etc. Todos estos aspectos tienen una influencia significativa en el

rendimiento de la perforación



Como los granos tienen forma lenticular, como en un esquisto, la perforación es más

difícil que cuando son redondos, como en una arenisca.



También influye de forma significativa el tipo de material que constituye la matriz de

una roca y que une los granos de mineral.



En cuanto a la porosidad, aquellas rocas que presentan una baja densidad y son

consecuentemente más porosas tienen una menor resistencia a la trituración y son

más fáciles de perforar.



1.7 Estructura.

Las propiedades estructurales de los macizos rocosos, tales como esquistosidad,

planos de estratificación, juntas, diaclasas y fallas, así como el rumbo y elbuzamiento de éstas afectan a la linealidad de los barrenos, a los rendimientos de

perforación y a la estabilidad de las paredes de las perforaciones.



Propiedades de los diferentes tipos de rocas

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