99135710-PERFORACION-DTH (1)
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Perforadoras con martillo en fondo (DTH) 1 Inacap Iquique Ingeniería en Minas Aire comprimido y perforación Nombre Alumno (s): Nombre Profesor: Fecha: 02/04/2012
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Perforadoras con martillo en fondo
(DTH)
1
Inacap IquiqueIngeniería en MinasAire comprimido y perforación
Nombre Alumno (s): Nombre Profesor: Fecha: 02/04/2012
INDICE
1. INTRODUCCIÓN
2. HISTORIA
3. CARACTERÍSTICAS
3.1 Perforadora
3.2 Accesorios
3.3 Requerimientos de aire comprimido
3.4 Características de los equipos de montaje
4. APLICACIÓN
4.1 Aplicaciones en canteras o minería a tajo abierto
4.2 Aplicaciones en minería subterránea
5. CONCLUSIONES
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1. INTRODUCCIÓN
La idea de aprovechar al máximo los efectos básicos en laperforación de roca como son la rotación y la percusiónllevaron a los creadores de la perforación “Down the hole” adiseñar una perforadora que pueda introducirse en el taladrocon objeto de trasladar al fondo del taladro la energíadesplegada por cada golpe generado por el pistón de laperforadora.
Lo mencionado anteriormente logró de manera inusitadoaumentar los rendimientos habituales de perforaciónalcanzados, especialmente en rocas duras.
A casi 36 años de la creación de los modelos iniciales muchose ha avanzado al presente y es precisamente en relación aestas últimas experiencias y aplicaciones tanto en el Paíscomo en el extranjero que motivan al suscrito a presentaneste trabajo.
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2. HISTORIA
Las perforadoras “Down the hole” inicialmente se aplicaron en
perforación de taladros de voladura en canteras y minas a
tajo abierto, especialmente en aquellas donde la perforación
rotativa era de alto costo operativo. En esta primera etapa
los taladros no alcanzaron más de 30 pies de longitud.
Posteriormente en perforación de pozos para agua se lograron
alcanzar fácilmente longitudes de 120 pies, constituyendo4
entonces un gran suceso. Sin embargo, innovaciones
implementadas con éxito en las perforadoras rotativas
relegaron a las perforadoras Down the hole a aplicaciones en
rocas duras. Asimismo, algunas pérdidas de la perforadora por
atascamiento en los taladros, llevaron a los fabricantes a
modificar los diseños originales con el fin de asegurar la
recuperación del equipo.
Al presente se ha optimizado la operación de la perforadora y
se le utiliza tanto en labores de superficie como en labores
subterráneas.
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3. CARACTERÍSTICAS
3.1 Perforadora
Podemos describir la perforadora exteriormente como un
cilindro de acero que tiene acoplado por un extremo, la
broca y por el otro se encuentra acoplado mediante enrosque a
la primera barra de la columna de perforación, columna que
girará mediante accionamiento hidráulico o neumático.
Generalmente apreciaremos que las barras de perforación son
de diámetro ligeramente menor al de la perforadora y ésta a
su vez también es menor en diámetro que la broca. Como se
podrá apreciar en el gráfico Nº 1, esta relación directa con
el caudal de aire requerido para la evacuación de los
detritos productos de la perforación.
Como acabamos de anotar la perforadora es accionada por
aire comprimido que a su vez conduce a través de una
manguera, aceite en suspensión para lubricar las partes
móviles de la perforadora. Secuencialmente, el aire
comprimido se une al agua de perforación, pues sólo existe un
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conducto para llevar estos tres Ingredientes básicos hasta la
perforadora.
Al examinar el diseño interior de la perforadora — podremos
apreciar que existen sólo dos partes móviles; el pistón y la
válvula check. La válvula - check regula el ingreso del aire
a la máquina y a su vez no permite el ingreso de agua u otro
agente por contraflujo. Este sistema hace posible la
aplicación en perforación submarina o en presencia de la napa
freática.
3.2 Accesorios de perforación
El sistema Down the hole de perforación requiere de
accesorios básicos que han de constituir la columna de
perforación, que en ciertas aplicaciones ha alcanzado
longitudes de hasta 600 pies (183.5 mts.)
Esta columna se compone de los siguientes elementos
3.2.1. Brocas
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La broca que generalmente está al Inicio de la columna de
perforación es considerada pieza básica - de ésta y
constituye un agente de costo Importante dentro del costo
operativo que genera este sistema de perforación.
La técnica de perforación desarrollada en el Canadá aconseja
la utilización de un juego de 4 a 6 — brocas para un
determinado número de pies programa dos. Mediante este método
se ha logrado obtener vidas de brocas del orden de 2.000 pies
en terrenos duros, gracias al reacondicionamiento o afilado a
que son sometidos una vez que han cumplido un determinado
número de pies perforados. Por este motivo es necesario
contar con un juego de brocas que se van rotando hasta
finalmente descartarse — por desgaste el total de componentes
en conjunto.
El sistema Down the hola utiliza brocas de dos tipos, las
tradicionales tipo cuchilla en “X” cuya aplicación se
recomienda para terrenos de mediana dureza y los
recientemente desarrollados de botones, de eficiente
desempeño en rocas muy duras. Las del tipo en “X”
generalmente requieren afilado y los del tipo da botones
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reacondicionamiento. La selección correcta del tipo de broca
a utilizarse de acuerdo al terreno a perforar constituye el
primer paso importante para lograr una excelente velocidad de
penetración y el máximo de vida posible - de broca. No está
demás señalar que a selección de los accesorios de
perforación comienza con la — elección del diámetro de
taladro que se desea perforar.
3.2.2. Perforadora Down the hole
Constituye el segundo elemento de la columna y va situada y
acoplada después de la broca. Un correcto y cuidadoso
acoplamiento es recomendado para evitar dañar a la
perforadora.
3.2.3. Cabezal posterior de la perforadora
(Backhead)
Está situada inmediatamente después de la perforadora y tiene
diferente sistema de rosca en ambos — extremos. La de forma
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cónica es la del tipo API y constituye el punto de
acoplamiento con las barras de perforación, que lógicamente
deberán tener este mismo tipo de rosca.
3.2.4 Barras de perforación
Las barras o barrenos de perforación varían en longitud y en
diámetro de acuerdo a la aplicación y al diámetro de hueco
que se desea perforar.
Las aplicaciones en superficie requieren generalmente barras
entre 10 y 20 pies de longitud y pueden ir desde 3” a 27” en
diámetro. Para aplicaciones en minería subterránea la
longitud de estas barras se reducen a tramos de 5 pies y en
diámetro varían entre 3” y 4 1/2”.
Como se puede apreciar en el gráfico (fig. 4) la barra es
hueca y posee una rosca macho y otra hembra en ambos
extremos.
Este tipo de accesorio, agente de costo también portante
dentro del costo operativo, generalmente se descarta por
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daños irreparables en las roscas de empalme, producidas
mayormente por acoplamientos violentos o imperfectos.
Asimismo, en ciertos casos estas barras sufren doblamiento
perdiendo la rectitud, bondad indispensable para obtener
taladros rectos.
Se estime en 30.000 pies es promedio la vida de una barra.
Sin embargo, se considere que este record irá incrementándose
de acuerdo a la mayor habilidad que logre el operador al
manipularlos.
3.3 Requerimientos de aire comprimido
Las perforadoras Down the hole son eminentemente de
percusión y su funcionamiento y rendimiento son normados por
el caudal y presión de aire suministrados. Estos dos factores
afectan la operación de la perforadora si están fuera de los
rangos considerados como óptimos.
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Estar debajo del límite inferior ocasiona una pobre velocidad
de penetración y una deficiente evacuación de los detritos de
perforación.
Por otro lado, operar sobre un límite considerado máximo,
pese a originar una excelente penetración y perfecta
limpieza, puede derivar en una deficiente lubricación y como
consecuencia de esto un rápido deterioro de la perforadora.
Para la determinación del caudal y presión de aire necesario
se tiene que considerar el consumo es teórico de la
perforadora, establecidos por el diámetro y la carrera del
pistón y el número es golpes por minuto teórico diseñados,
para obtener un rendimiento proyectado esperado. El nivel de
presión de aire seleccionado será de acuerdo al caudal
calculado y en principio deberá ser capaz de movilizar al
pistón al número de golpes proyectados. Una mayor presión a
este último y lógicamente se incrementará la velocidad de
penetración.
En el gráfico Nº 3 puede observarse como se logra incrementar
la velocidad de penetración en cambios tres veces la obtenida
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operando con presión de aire a 100 PSIG, en este caso como
puede apreciarse se deberá operar con aire a 200 PSIG de
presión. Como pueden apreciar en el gráfico no existen
diferencias notables entre los equipos que utilizan el
sistema Down the hole y el sistema rotativo, dado que se
aprovecha su propio sistema de rotación y su capacidad de
empuje a la columna.
En el caso de los Track Drill se podrán apreciar diferencias
saltantes pues varía el diámetro de la columna de perforación
y la voluminosa perforadora roto percutiva ha sido
reemplazada esta vez por un cabezal rotativo de similares
dimensiones. Este cabezal está sujeto a una torre guía de
acero y recorrerá a todo largo de ella conforme lo hacía la
perforadora roto percutiva cada vez que lograba perforarse un
tramo igual a la longitud del barreno.
3.4.2 Equipos para labores subterráneas
Contrastando con el gran tamaño a las perforadoras rotativas
donde puede instalarse la perforadora Down the Hole, muchos
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fabricantes americanos y europeos han diseñado y fabrican un
equipo bastante compacto capaz de movilizarse en las
estrechas vías y aún ser fácilmente introducido en jaulas de
pique sin dificultad. Este equipo que como muchos denominan
“Jumbo” sin ser el tradicional que conocemos, se parece más a
un track drill (perforadora montada sobre orugas) pero aun
más compacto pues solo tiene 1.40m de alto en posición de
traslación.
El equipo es exclusivamente accionado por aire comprimido,
aunque constituye una unidad neumática hidráulica, pues todos
los movimientos del equipo son generados hidráulicamente.
La combinación “Jumbo” down the hole perfora muy
eficientemente taladros entre 4” y 12” de diámetro y hasta
185m (600 pies) de longitud, dependiendo de las condiciones
de roca.
La descripción general del Jumbo DHD que se fabrica
actualmente es la de un sólido chasis montado sobre dos
orugas o cuatro neumáticos, conjunto que está acoplado y
sostiene una torre guía de perforación. Cuatro gatas
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hidráulicas nivelan y estabilizan la unidad durante la
perforación. Un motor neumático acciona la bomba hidráulica
que a su vez acciona todos los motores hidráulicos que
generan los movimientos del equipo.
Los motores hidráulicos básicamente movilizan las orugas,
hacen girar el cabezal rotativo y proporcionan la fuerza de
empuje a la columna de perforación.
La unidad está equipada con una bomba de pistón para el
suministro de agua con suficiente presión con el fin de
deprimir el polvo durante la perforación.
Todos los controles e instrumentos están localizados en un
lugar conveniente para una cómoda operación del equipo.
El peso operativo de la unidad promedio es de 1500 Kg y su
velocidad de traslación máxima es de 11Km/H. Algunas bondades
del equipo que podemos resaltar son las siguientes:
a. Posee vigorosa construcción y gran estabilidad
durante la perforación.
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b. Puede trabajar con alta presión de aire para
obtener mayor velocidad de penetración.
c. Durante la perforación no se sobrepasan los niveles
de ruido establecidos como tolerables para el
trabajador minero.
d. Su operación es sencilla y requiere como mínimo el
concurso de dos operadores.
e. Facilidad de maniobra la cual permite un rápido
posicionamiento en el lugar de trabajo.
La variedad de aplicaciones que se ha logrado obtener con
este equipo lo ha llevado a ser considerado como adelanto
tecnológico dentro de la gran gamma de equipo minero en el
último quinquenio.
En el siguiente capítulo veremos en detalle sus aplicaciones
4.- APLICACIONES DEL SISTEMA DOWN THE HOLE DE PERFORACIÓN
4.1.- Aplicaciones en superficie.
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Canteras y minas a tajo abierto
Sabemos que las primeras aplicaciones del sistema down thehole fue en la explotación de canteras mediante laperforación de taladros de voladura, posteriormente en estamisma aplicación se mejoraron los rendimientos de perforaciónen las minas de tajo abierto.
Es preferible la aplicación de perforadoras con este sistema(DTH) en la perforación de rocas duras y abrasivas. Losdiámetros de taladros más comunes que se pueden encontrarvarían entre 4” y 8”; sin embargo se está introduciendo conéxito, perforadoras para aplicaciones de hasta 3” dediámetro.
Comparativamente al sistema DTH, el rotativo pese al grandesarrollo alcanzado, no ha logrado alcanzar las velocidadesde penetración que el DTH ha alcanzado en rocas duras. Existeuna extraordinaria diferencia de velocidades de penetraciónen la aplicación del sistema rotativo, que van desde los 225m/H (11pies/min) en terrenos bastantes suaves a velocidadestan pobres de 7m/h en rocas muy duras.
En el sistema DTH la diferencia de velocidades de penetraciónentre las rocas más suaves y más duras no son muysignificativas. Estas velocidades alcanzan entre 15m/H hasta45m/H dependiendo de la presión de aire de operación ylógicamente del caudal de aire suministrado.
Dada la fácil instalación de las perforadoras DTH en actualesunidades rotativas montadas sobre orugas o neumáticos, muchosusuarios tienen ambas opciones y utilizan cada tipo deperforación de acuerdo a la calidad del terreno que deseanperforar, con el objeto de alcanzar siempre record constantesde penetración.
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Similar apreciación podemos dar para el caso de los TrackDrills, aunque en este caso los diámetros de taladropreferidos varían de 3” a 5”.
Las velocidades de penetración del sistema DTH comparadas alas obtenidas por las perforadoras roto percutivas montadasen las unidades Track Drill no lograron equipararse. Lasperforadoras roto percutivas mantendrán supremacía y más aúnlas perforadoras hidráulicas. Sin embargo debe deconsiderarse que lo anteriormente establecido es solo paralongitudes de perforación no mayores a 15m. La aplicación encanteras y en minas a tajo abierto será siempre ventajosapara perforadoras DTH, porque genera menores costosoperativos al otorgar menores índices de vida de barrenos ybrocas y por la facilidad en su mantenimiento.
Resumiendo todo lo que nos ocupa en esta parte del capítulode aplicaciones a continuación establecemos un cuadrocomparativo entre los sistemas a que nos referimos deacuerdo a diferentes puntos característicos a los trestipos:
Características Perforación DTH Perforación TH Perforación
rotativa
Velocidad depenetración
Mantiene lavelocidad depenetraciónconstante a todaprofundidad.
Se obtiene unaexcelentevelocidad depenetración con
Alta velocidadde penetracióninicial quedecae con cadabarrenoadicionado
Requiere unamayor fuerza deempuje parapoder equipararla velocidad depenetración delsistema DTH
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menor fuerza deempuje a lacolumna deperforación. Unaunidad livianapuede perforardiámetros detaladro másgrandes
Requerimiento de aire
Utiliza menorcantidad de airedebido a que elescape de laperforadora ayudaa limpiar eltaladro. Puedeutilizar aire aalta presión paraincrementar lavelocidad depenetración.Requiereligeramente menorcantidad de aireque lasrotativas.
Utiliza másaire, pues elrequerido porla limpieza hayque adicionaral que consumela perforadora.La alta presiónde aire esprohibitivapara estesistema, puesdaña laperforadora yreducenotablemente lavida de losbarrenos yaccesorios.
Requiere unagran cantidad deaire o lodo parala limpieza,dependiendomucho deldiámetro debroca ybarrenos.
Niveles deruido
El bajo nivel degolpes por minutodesarrollado porla perforadoraasí como el ruido
Requiere unsilenciador enel escape de laperforadora, siel nivel de
Muy bajo, sóloel equipo generaruido no laperforación.
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de escape esreducidonotablemente alser silenciadosdentro deltaladro.
ruido escrítico. Elruido deimpacto esdifícil decontrolar.
Accesoriosdeperforación
No requiere demanguitosadaptadores(shank adapters)ni coplas. Puesutiliza barrasroscadas estándarAPI.
El costooperativo porbarrenos es bajodado que seutiliza un bajonivel de empuje yde torque
Utilizamanguitosadaptadores ycoplas conrosca decontinuodeterioro yfrecuentereemplazo.
La gran fuerzade empuje que seaplica, así comoel alto torquede rotacióncontribuye aprovocar unamenor vida debarrenos
Mantenimiento
Tiene menornúmero de partesmóviles. Toda laenergía vaaplicada sobre laroca mas no sobrela perforadora nien la unidaddonde vainstalada.
La unidad dondeva instalada laperforadoradebe resistirel fuerteimpacto deperforación yvibración quegenera laperforadora.
Altos niveles devibración dondeel mayor nivelde fuerza deempuje obliga atener unfrecuenteintervalo demantenimiento.
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Posee intervalosde mantenimientomas largos por elbajo nivel de lafuerza de empujey la mínimavibración de lamáquina
Aplicación Perforación detaladros de granprofundidad enrocas duras.Aplicacionesdonde la brocatricónicarotativa tendríavida muy corta yun excesivocosto.
Desviación delos taladros agrandesprofundidades.
Perforación detaladros de granprofundidad enrocas suaves amedia dureza
4.2.- Aplicaciones en minería subterránea
La aplicación del sistema DTH de perforación en mineríasubterránea ha tenido un gran desarrollo y merece destacarse,pues ha incidido notoriamente en el mejoramiento detradicionales métodos de minado, así como en aumentar larapidez de ejecución de labores auxiliares que demanda unaoperación subterránea.
A continuación hacemos una descripción de estos diferentesaspectos:
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4.2.1.- Servicios auxiliares
Nos referimos en primer término siempre al equipo deperforación denominado Jumbo DHD mostrado y descrito en elsubcapítulo 3.4.2, pues justamente algunas bondades de esteequipo permite lograr en forma rápida y segura la ejecuciónde taladros de servicio, labor que ha permitido elevar laproductividad en una operación minera.
Seguidamente menciona remos algunas aplicaciones conocidas:
Cuadro comparativo:
Aplicabilidad de diferentes métodos para hacer chimeneas
Stoperconvencional
Stoperjaulatrepadora
Raiseborer
Jumbo/DHD
Alcanceoptimo
Mts-long.
Chimeneas
30 50 200 70
Max.Alcance
Económico
Mts-long.
Chimenea
50 100 400 100
Costodirecto por
40% 50% 100% 40%
22
metro en %comparandoa raiseborer
Inclinaciónmáxima
45º 70º 65º 70º
Desarrollo de chimeneas
Excavación de chimeneas método tiros largos
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