perforación y voladura de rocas
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Perforación y voladura de RocasEl principio de la perforación es efectuar golpes continuos con filos cortantes en
un extremo 20 de mayor dureza que la roca; y en el otro extremo es golpeado y
girado en forma continua, de tal manera que cada golpe produce un corte en la
roca en diferente posición, el resultado final será la perforación de un taladro
cuyo diámetro será igual al diámetro del filo cortante usado.
Perforación con Martillo en Cabeza:
Perforadoras Manuales: El martillo es accionado por aire comprimido,
para taladros pequeños que varían de (25 - 50 mm de diámetro) para
trabajo horizontal o al piso existiendo modelos como Jack-leg
(Perforación Horizontal), Stoper (Perf. Chimenea) y Jack-hammer, (Perf.
Pique) estos están empleando barrenos de acero integrales terminados
en broca fija tipo cincel, o barrenos con broca acoplable.
Perforadoras Mecanizadas: Son de percusión y de percusión /rotación,
montadas en chasis sobre ruedas u orugas para diámetros hasta 150
mm (6’’) y 20 metros de profundidad. Ejemplo WagonDrill trackDrill y
Jumbos neumáticos o hidráulicos que emplean barrenos acoplables con
brocas intercambiables. Una perforadora hidráulica consta básicamente
de los mismos elementos constructivos que una neumática, estos
equipos tienen una velocidad de penetración tres veces más rápida que
estas últimas.
Perforación con Martillo en Fondo: Se denomina así cuando el golpe
se realiza directamente sobre broca, con éste sistema, se reduce
sustancialmente la desviación del taladro. Generalmente 21 de grandes
dimensiones para uso en tajos abiertos montadas sobre camión o sobre
orugas con traslación propia con motor rotatorio independiente y
perforación por presión (Pulldown o presión de barra) con brocas
rotatorias triconicas de 6’’ a 15’’ de diámetro. En mina subterránea
también existe este tipo de equipos, con diámetros de perforación de 3”
de diámetro, son usados para perforación de taladros largos, para el
método de explotación Sub Level Stoping, entre otros métodos de
producción masiva.
Condiciones de Perforación:
Para conseguir una voladura eficiente la perforadora es tan importante como la
selección del explosivo, por lo que éste trabajo debe efectuarse con buen
criterio y cuidado, lamentablemente la supervisión de la correcta operación de
perforación aun no es controlada adecuadamente en muchas minas, lo que
permite que ocurran deficiencias en la calidad de trabajo como son los taladro
desviados, mas espaciados, de longitud irregular etc, que determinan pérdidas
de eficiencia de la energía explosiva disponible. Normalmente la calidad de los
taladros a ser perforados está determinada por cuatro condiciones, Diámetro,
longitud, rectitud y estabilidad:
Diámetro: Depende del tipo de aplicación en que el taladro será
utilizado como regla general el de “menor diámetro factible” será más
adecuado y económico de realizar.
Longitud: Influye mucho en la selección de la capacidad del equipo
perforador y naturalmente en el avance del disparo (profundidad del
taladro).
rectitud: Varia con el tipo de roca método de perforación y
características del equipo perforador.Deben tener la mayor rectitud y
alineación para que el explosivo sea apropiadamente distribuido en la
mayoría de las arranques, de perforación el paralelismo entre taladros
es de vital importancia para la interacción de las cargas explosivas en
toda la voladura.
Estabilidad: Los taladros deben mantenerse abiertos hasta el momento
de su empleo. En terrenos sueltos tienden a desmoronarse por lo que
puede ser necesario revestirlo interiormente con tubos especiales para,
poderlos cargar, también se puede aplicar técnicas de revestimiento
mediante arcillas especiales como la bentonita y otros utilizado en
perforaciones de petróleo, diamantina
Velocidad de Penetración:
Esta variables no solamente depende de la aplicación de fuerza;
también depende del barreno o limpieza del detritus, del taladro con el
aire comprimido y/o con agua a presión, a través de la misma barra,
conforme avanza la perforación. La dureza y abrasividad de la roca son
factores importantes, para determinar qué medio de perforación
emplear: rotación simple o rotación/ percusión
Errores y Defectos en la Perforación:
La perforación debe ser realizada, en el menor tiempo y con acabado de
calidad. Evitando que se quede mineral en las cajas o que se diluya por
deficiente perforación. También en las labores de desarrollo el avance debe ser
el 95% de la longitud perforada de lo contrario no estamos realizando un
trabajo eficiente. Los conocimientos necesarios que le faltan para mejorar su
trabajo, el perforista debe ser consiente en su capacitación buscando ser
multihabiloso, flexible al cambio permanente, participando en grupos de
mejoramientos continuo. Finalmente el perforista debe cumplir
satisfactoriamente las órdenes de sus jefes, tener un conocimiento perfecto de
los procedimientos escritos de trabajo PETS, estándares de trabajo, realizando
sus IPERC y trabajar con ellas. A continuación se muestra los errores en la
perforación, de los cuales son causantes de trabajos de mala calidad en
avances.
Hueco de alivio de diámetro muy pequeño: Los errores son
significativos, especialmente si afectan al arranque del disparo.
Desviaciones en el paralelismo: En este caso el burden no se
mantiene uniforme, resulta mayor al fondo lo que afecta al
fracturamiento y al avance. Este problema es determinante en los
arranques y en la periferia (techos) de túneles y galerías.
Espaciamientos irregulares entre taladros: Propician fragmentación
gruesa o soplo del explosivo.
Irregular longitud de los taladros: Influye en el avance (especialmente
si el de alivio es muy corto) y también determina una nueva cara muy
irregular.
Intersección entre taladros: Afecta a la distribución de la carga
explosiva en el cuerpo de la roca a romper.
Sobrecarga (excesiva densidad de carga):
Fallas en los disparos
tiro retardado: Es el que no sale a su tiempo. Presenta grave riesgo
para el personal que reingresa al frente de un disparo, sin haber dejado
un tiempo prudencial. No es común y puede ocurrir por; Defecto del
detonador de retardo y por mecha de seguridad defectuosa o demasiado
lenta.
tiro soplado: ¿Es un tiro que sale sin? ¿Fuerza? No hay rotura ni
empuje adecuado del material. El explosivo es expulsado del taladro o
simplemente deflagra sin llegar a detonar. Generalmente ocurre por
mala dosificación de la carga o mala selección del explosivo respecto a
la dureza de la roca, mal atacado, falta de potencia del iniciador, falta del
taco inerte o uso del explosivo húmedo.
tiro cortado: Es un tiro que no sale por falla de cualquiera de los
elementos principales: INICIADOR, GUÍA O EXPLOSIVO. ¿Es muy
peligroso porque deja? ¿Testigos? Que deben eliminarse para poder
continuar con el trabajo.
Esto también pueden cambiar de termino solamente tiro quedado, tiro
anillado, tiro deficiente, etc.etc. pero entender que es Fallado.
CAUSAS:
Pueden originarse por:
Falla del iniciador con fulminantes
Falla de fabrica.
Falta de fuerza para iniciar.
Mal ajuste de la mecha.
Demasiada separación entre pólvora de la mecha y la carga del
fulminante.
Deterioro por humedad.
Falla del conector de mecha rápida.
Falla de la mecha o del cordón detonante
Falla de fabrica:
- Discontinuidad del alma de pólvora o de pentrita.
- Velocidad de quemado irregular.
Falla en el forro que permite el humedecimiento del explosivo.
Rompimiento bajo tensión al ser estirado.
Fallas por maltratos:
- Doblez o Aplastamiento.
- Fragmentos volantes durante el disparo.
Fallas del explosivo:
-Uso de explosivos en malas condiciones, deteriorado o humedecido
(almacenaje muy prolongado en ambientes inadecuados.
Condiciones ambientales:
Se observa que algunos explosivos pierden cualidades cuando son
empleados en condiciones ambientales adversas frió, calor, incluso
altitud.
Así muchos hidrogeles pierden sensibilidad y capacidad de
transmisión en lugares elevados y muy fríos.
Sensitividad:
El uso del iniciador inadecuado Ejm. Un agente de voladura tratado
de iniciar directamente con un fulminante común.
Un atacado exagerado puede insensibilizar al explosivo.
Uso del explosivo inadecuado para determinado trabajo. Ejm. usar
Dinamita exadit 45,65% en presencia de agua.
Perforación subterránea
Para confeccionar o interpretar un plano de perforación que se utilizará para
realizar labores subterráneas de avance de galerías es necesario conocer la
distribución de las perforaciones de acuerdo con la siguiente denominación:
Cabe destacar que los tiros perimetrales (coronas y cajas) deben tener un
ángulo hacia afuera, evitando que la sección del túnel cambie a medida que se
avanza. Este ángulo recibe el nombre de “ángulo se ajuste” y se define como:
Ángulo de ajuste = 0,1 m + L*tan2° Donde L es el largo de perforación
Es importante considerar este ajuste cuando la máquina perfora sobre los
pozos marcados.
Tipos de perforación
Perforación a percusión por cable. Métodos de Pensilvania,
californiano, canadiense y de percusión rápida.- Del cable de perforar
pende a la sarta, comunicándole a ésta el movimiento de vaivén, que a
su vez le transmite el balancín de la sonda. Este cable se ve sometido a
un duro trabajo debido a las tensiones alternantes que se producen al
elevar y soltar la herramienta, así como por las continuas sacudidas al
tensar. También se produce un desgaste importante por el continuo
contacto con el agua y el lodo, debido a las partículas abrasivas que
contienen, que desgastan los alambres del cable. Y lo mismo ocurre,
pero con mayor intensidad, al rozar el cable con las paredes de la
perforación. También produce desgaste el repetido enrollamiento y
desenrollamiento en el tambor del cabrestante en las operaciones de
extracción e introducción de la sarta, así como el rozamiento continuo de
las poleas del balancín y de la torre o castillete, durante el trabajo de
perforación. Para soportar todos los esfuerzos, el cable debe reunir una
serie de características tales como: suficiente resistencia a la tracción,
flexibilidad y resistencia al desgaste por abrasión. Los cables más
utilizados, que cumplen razonablemente estas condiciones, son los del
tipo SEALE, de acero sin galvanizar, con alma de cáñamo o polivinilo de
composición 6 x 19 + 1(5) arrollamiento cruzado, con una resistencia a
la tracción de 160 a 180 kg/mm2.
Perforación a rotopercusión.- En este sistema, el aire comprimido
inyectado a través del varillaje reacciona el martillo en el fondo del
agujero y es utilizado a su vez como fluido de barrido de los detritus. En
la perforación con martillo en fondo, se utilizan diferentes tipos de Ú t i l
e s cortantes: las bocas Ó brocas, unas e plaquetas y otras de botones
de carburo de tungsteno. Se reserva este sistema de perforación para
realizar pozos en formaciones duras y muy duras referentemente.
Perforación a rotación con recuperación de testigo.
Perforación rotativa ligera. - que emplea un trépano o pieza que
desmenuza la roca y una cuchara para la extracción de los restos. Es
una técnica válida para cualquier tipo de material, sobre todo rocas
consolidadas (otros métodos son rotopercusión y rotación con
circulación de agua o lodos).
La perforación horizontal.- permite la instalación de ductos por debajo
de obstáculos, cualquiera que sea la naturaleza del suelo o de la roca.
Se acciona un rotor percutor para horadar y desmigajar la roca (o el
suelo) que haya que atravesar. Antes de iniciar este tipo de perforación,
se excava un hoyo de entrada y otro hoyo de salida con la profundidad
requerida. Señalemos que es posible efectuar un sondeo en pendiente,
aunque es imposible ejecutar una trayectoria curba (cosa que puede
realizarse en la perforación horizontal dirigida).
Esquema de perforación - métodos
métodos de cortecorresponden a las formas de efectuar el disparo en primera fase para crear la
cavidad de corte, que comprenden dos grupos:
1. cortes con taladros en ángulo o cortes en diagonal.
2. cortes con taladros en paralelo.
cortes en diagonalsu efectividad consiste en que se preparan en forma angular con respecto al
frente del túnel, lo que permite que la roca se rompa y despegue en forma de
“descostre sucesivo” hasta el fondo del disparo.
cuanto más profundo es el avance, tanto más taladros diagonales deben ser
perforados en forma escalonada, uno tras otro conforme lo permita el ancho del
túnel.
estos cortes se recomiendan sobre todo para roca muy tenaz o plástica por el
empuje que proporcionan “desde atrás”. también para las que tienen planos de
rotura definidos, ya que dan mayor alternativa que el corte paralelo para
atacarlas con diferentes ángulos.
en su mayoría se efectúan con perforadoras manuales y su avance por lo
general es menor en profundidad que con los cortes en paralelo (45 y 50% del
ancho del túnel), pero tiene a su favor la ventaja de que no se “congelan” o
“sinterizan” por exceso de carga o inadecuada distancia entre taladros, como
ocurre frecuentemente con los cortes paralelos.
es indispensable que la longitud y dirección de los taladros sean proyectadas
para que el corte se ubique simétricamente a una línea imaginaria y que no se
perfore excesivamente.
se disponen por parejas, con tendencia a casi juntarse en la parte más
profunda para lograr un efecto combinado de las cargas, especialmente en
rocas difíciles de romper (duras, estratificadas,etc.). son más incómodos para
perforar porque el operador tiene que ver imaginariamente cómo están
quedando ubicados y orientados los taladros, para evitar que se intercepten.
respecto a la carga explosiva, los taladros de arranque, es decir los más
cercanos a la cara libre, no requieren una elevada densidad. ésta puede
disponerse más bien en los más profundos para tratar de conseguir alguna
rotura adicional que compense la natural limitación del avance debido a la
propia perforación.
estos cortes son mayormente aplicados en túneles y galerías de corta sección
con taladros de pequeño diámetro. los consumos promedios varían en cifras
tan extremas como 0,4 a 1,8 kg/m3.
además de túneles, los cortes angulares especialmente en cuña y abanico
permiten abrir la rotura inicial en frentes planos sin caralibre, como es el caso
de apertura de zanjas, pozos, etc. estos cortes pueden clasificarse en tres
grupos:
1. corte en cuña de ejecución vertical (wedge cut), corte encuña de ejecución
horizontal (“v” o “w”) y corte piramidal. en los tres casos los taladros son
convergentes hacia un eje o hacia un punto al fondo de la galería a perforar.
2. corte en abanico (fan cut) con diferentes variantes. en este caso los taladros
son divergentes respecto al fondo de la galería.
3. cortes combinados de cuña y abanico o paralelo y abanico. la geometría de
arranque logrado con los cortes angulares básicos se muestran en las
siguientes figuras:
corte en pirámide o diamante (center cut)
comprende a cuatro o más taladros dirigidos en forma de un haz convergente
hacia un punto común imaginariamente ubicado en el centro y fondo de la labor
a excavar, de modo que su disparo instantáneo creará una cavidad piramidal.
este método requiere alta concentración de carga en el fondo de los taladros
(apex de la pirámide). se le prefiere para piques y chimeneas.
según la dimensión del frente puede tener una o dos pirámides superpuestas.
con este corte se pueden lograr avances de 80% del ancho de la galería; su
inconveniente es la proyección de escombros a considerable distancia del
frente.
corte en cuña o en “v” (wedge cut)
comprende a cuatro, seis o más taladros convergentes por pares en varios
planos o niveles (no hacia un solo punto) de modo que la cavidad abierta tenga
la forma de una cuña o “trozo de pastel”. es de ejecución fácil aunque de corto
avance especialmente en túneles estrechos, por la dificultad de perforación.
la disposición de la cuña puede ser en sentido vertical horizontal. el ángulo
adecuado para la orientación de los taladros es de 60° a 70°. es más efectivo
en rocas suaves a intermedias, mientras que el de la pirámide se aplica en
rocas duras o tenaces.
corte en cuña de arrastre (drag o draw cut)
es prácticamente un corte en cuña efectuado a nivel del piso de la galería, de
modo que el resto del destroce de la misma sea por desplome. se emplea poco
en túneles, más en minas de carbón o en mantos de roca suave.
corte en abanico (fan cut)
es similar al de arrastre pero con el corte a partir de uno de los lados del túnel,
disponiéndose los taladros en forma de un abanico (divergentes en el fondo).
también se le denomina “corte de destroce” porque se basa en la rotura de toda
la cara libre o frente de ataque del túnel. poco utilizado porque requiere
decierta anchura para conseguir unavance aceptable.
corte combinado de cuña y abanico
usualmente recomendado para roca tenaz y dura, hasta elástica. útil y muy
confiable, aunque es difícil de perforar.
cortes en paralelo
como su nombre lo indica, se efectúan con taladros paralelos entre sí. se han
generalizado por el empleo cada vez mayor de máquinas perforadoras tipo
jumbo, que cuentan con brazos articulados en forma de pantógrafo para
facilitar el alineamiento y dar precisión en la ubicación de los mismos en el
frente de voladura.
los taladros correspondientes al núcleo y a la periferia del túnel también son
paralelos en razón de que es virtualmente imposible perforar en diagonal con
estas máquinas. todos tienen la misma longitud llegando al pretendido fondo de
la labor.
el principio se orienta a la apertura de un hueco central cilíndrico, que actúa
como una cara libre interior de la misma longitud que el avance proyectado
para el disparo. la secuencia de voladura comprende tres fases; en la primera
son disparados casi simultáneamente los taladros de arranque para crear la
cavidad cilíndrica; en la segunda, los taladros de ayuda del núcleo rompen por
colapso hacia el eje del hueco central a lo largo de toda su longitud, ampliando
casi al máximo la excavación del túnel, tanto hacia los flancos como hacia el
fondo; por último salen los taladros de la periferia (alzas, cuadradores y
arrastres del piso) perfilando el túnel con una acción de descostre.
el perfil o acabado final de la pared continua del túnel, depende de la estructura
geológica de la roca, básicamente de su forma y grado de fisuramiento natural
(clivaje, diaclasamiento, estratificación) y de su contextura.
el hueco central debe tener suficiente capacidad para acoger los detritos
creados por el disparo de los primeros taladros de ayuda, teniendo en cuenta el
natural esponjamiento de la roca triturada, de modo que se facilite la expulsión
(trow) del material de arranque, después de las segundas ayudas y los taladros
periféricos.
para diferentes diámetros de taladros se requieren diferentes espaciamientos
entre ellos. es importante la precisión de la perforación para mantener estos
espacios y evitar la divergencia o convergencia de los taladros en el fondo con
lo que puede variar el factor de carga. la densidad y distribución de la columna
de explosivo, en muchos casos reforzada, así como la secuencia ordenada de
las salidas son determinantes para el resultado del corte.
usualmente los taladros de arranque se disparan con retardos de milisegundos
y el resto del túnel con retardos largos, aunque en ciertos casos los
microretardos pueden ser contraproducentes.
estos cortes son aplicados generalmente en roca homogénea y competente,
son fáciles y rápidos de ejecutar pero como contraparte no siempre dan el
resultado esperado, ya que cualquier error en la perforación (paralelismo y
profundidad), en la distribución del explosivo o el método de encendido se
reflejará en mala formación de la cavidad, o en la sinterización (aglomeración)
de los detritos iniciales que no abandonan la cavidad a su debido tiempo,
perjudicando la salida de los taladros restantes. si la carga explosiva es
demasiado baja, el arranque no romperá adecuadamente, y si es muy elevada
la roca, puede desmenuzarse y compactar, malogrando el corte lo que afectará
todo el disparo.
además del corte cilíndrico con taladros paralelos se efectúan otros esquemas,
como el corte paralelo escalonado, con el que se consigue un hueco o tajada
inicial de geometría cuadrangular y de amplitud igual al ancho de la labor, cuyo
desarrollo comprende un avance escalonado por tajadas horizontales o
escalones, con taladros de longitudes crecientes intercalados, que se disparan
en dos fases.
el disparo de la primera fase rompe la mitad del túnel por desplome, dejando un
plano inclinado como segunda cara libre, sobre la que actuarán los taladros de
la segunda fase por acción de levante. estos cortes son adecuados para rocas
estratificadas, mantos de carbón, rocas fisuradas o incompetentes.
tipos de cortes paralelos
los esquemas básicos con taladros paralelos son:
- corte quemado.
- corte cilíndrico con taladros de alivio.
- corte escalonado por tajadas horizontales.
todos ellos con diferentes variantes de acuerdo a las condiciones de la roca y la
experiencia lograda en diversas aplicaciones.
corte quemado
comprende un grupo de taladros de igual diámetro perforados cercanamente
entre sí con distintos trazos o figuras de distribución, algunos de los cuales no
contienen carga explosiva de modo que sus espacios vacíos actúan como
caras libres para la acción de los taladros con carga explosiva cuando detonan.
el diseño más simple es de un rombo con cinco taladros, cuatro vacíos en los
vértices y uno cargado al centro. para ciertas condiciones de roca el esquema
se invierte con el taladro central vacío y los cuatro restantes cargados.
también son usuales esquemas con seis, nueve y más taladros con distribución
cuadrática, donde la mitad va con carga y el resto vacío, alternándose en
formas diferentes, usualmente triángulos y rombos. esquemas más
complicados, como los denominados cortes suecos, presentan secuencias de
salida en espiral o caracol.
como los taladros son paralelos y cercanos, las concentraciones de carga son
elevadas, por lo que usualmente la roca fragmentada se sintetiza en la parte
profunda de la excavación (corte). esto no permite las condiciones óptimas
para la salida del arranque. lo contrario ocurre con los cortes cilíndricos. los
avances son reducidos y no van más allá de 2,5 m por disparo, por lo que los
cortes cilíndricos son preferentemente aplicados.
corte cilíndrico
este tipo de corte mantiene similares distribuciones que el corte quemado, pero
con la diferencia que influye uno o más taladros centrales vacíos de mayor
diámetro que el resto, lo que facilita la creación de la cavidad cilíndrica.
normalmente proporciona mayor avance que el corte quemado.
en este tipo de arranque es muy importante el burden o distancia entre el
taladro grande vacío y el más próximo cargado, que se puede estimar con la
siguiente relación: b = 0,7 x diámetro del taladro central (el burden no debe
confundirse con la distancia entre centros de los mismos, normalmente
utilizada).
en el caso de emplear dos taladros de gran diámetro la relación se modifica a:
b = 0,7 x 2 diámetro central. una regla práctica indica que la distancia entre
taladros debe ser de 2,5 diámetros.
cómo determinar los cálculos para perforación y carga
1. estime un diámetro grande en relación con la profundidad del taladro que
permita al menos un avance de 95 % por disparo. como alternativa perfore
varios taladros de pequeño diámetro de acuerdo con la siguiente fórmula:
ø1 = ø2 x ö n
donde:
ø1: diámetro grande supuesto.
ø2: diámetro grande empleado.
n: número de taladros grandes.
2. calcule el burden máximo en relación con el diámetro grande de acuerdo a la
siguiente fórmula:
primer cuadrilátero: b ~ 1,5 ø
donde:
b: burden máximo = distancia del hueco grande al hueco pequeño, en m.
ø: diámetro del hueco grande.
para cuadriláteros subsiguientes: b ~ a
donde:
b: burden máximo, en m.
a: ancho de apertura o laboreo, en m.
3. siempre calcule la desviación de la perforación, para lo cual una fórmula
adecuada es la siguiente:
f = b (0,1 ± 0,03 h)
donde:
f: desviación de la perforación, en m.
b: burden máximo, en m.
h: profundidad del taladro, en m.
para obtener el burden práctico, reducir el burden máximo por la desviación de
la perforación (f).
4. siempre perfore los taladros según un esquema estimado. un taladro
demasiado profundo deteriora la roca y uno demasiado corto deja que parte de
la roca no se fracture. así, las condiciones desmejoran para la siguiente ronda
disminuyendo el avance por disparo como resultado final.
5. calcule siempre las cargas en relación con el máximo burden y con cierto
margen de seguridad.
6. seleccione el tiempo de retardo de manera que se obtenga suficiente tiempo
para que la roca se desplace. los dos primeros taladros son los más
importantes.
7. factores a considerar para conseguir óptimo resultado cuando se emplean
cortes paralelos.