Perforación en Open Pit

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    20-Jan-2016

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TOPICOS DE MINERIA A CIELO ABIERTO PERFORACIONEXPOSITOR: ING JORGE DIAZ ARTIEDAINTRODUCCIONA nivel mundial, mas del 90% de la explotacin minera es efectuada a tajo abierto, la razn de ello es que cada vez se requiere explotar depsitos con mas bajo valor unitario, lo cual solo es econmicamente factible trabajando con grandes volmenes. Por otra parte las industrias que fabrican equipo minero pueden suministrado en tamaos cada vez mas grandes y eficientes as: palas elctricas de 80/120 yd3, camiones de 300/400 Tcs, perforadoras capaces de perforar dimetros de 14 a 16 pulgadas, as como gigantes cargadores frontales, bulldozers y motoniveladoras para apoyar al equipo principal. La perforacin y voladura constituyen uno de los mas importantes procesos que se efectan en minera superficial; ambas estn ntimamente ligadas y pese a que su costo solo representa 12/18% del costo directo de minado (para un wor =3:1, el costo de carguo 23% y el de acarreo = 53%. Sin embargo su influencia en la produccin y productividad de las operaciones mineras a tajo abierto es crtica puesto que una buena fragmentacin del material disparado, reduce los costos de carguo, acarreo y chancado en la concentradora.PERFORACINLa invencin de las brocas Tricnicas en 1909 permiti perforar rocas duras a menor costo y con mayores velocidades de penetracin. (1 - 1.5ft/min.), extendindose su uso tanto en minera superficial, subterrnea (taladro piloto en las Raise Borers), como en petrleo, debido a que con el tiempo se introdujeron mejoras en el diseo, metalurgia y practicas de perforacin. Para una mejor comprensin de estos factores en las pginas siguientes tomadas del manual de Atlas Copco, se muestra un esquema de la corteza terrestre, una tabla de dureza de los minerales componentes de las rocas, el tipo de rocas segn su gnesis, su estructura, perforabilidad, una tabla de resistencia a la compresin y mtodos, de perforacin para diferentes tipos de rocaMINERALESLos minerales ms comunes que forman una roca son: cuarzo, calcita, feldespatos, hornblenda, mica y clorita. Los minerales tienen diferentes durezas y normalmente son clasificados de acuerdo a una escala de durezas del 1 al 10 (escala de Mohs): Talco Fcilmente triturado entre los dedos Yeso Fcilmente rayado con la ua Calcita, Mica Difcilmente rayada con la ua Florita Fcilmente rayada con una cuchilla Apatito, Horblenda Eficazmente rayada con una cuchilla Feldespatos Difcilmente rayados con una cuchilla CuarzoRaya el vidrio, Rayado con aceros especiales Topacio Raya el vidrio. Rayado con berilo (agua marina) CorindnRaya el vidrio. Rayado con diamanteDiamanteRaya el vidrioLas diferentes especies de roca son clasificadas en 3 grupos, en concordancia con la manera en que fueron formadas:ROCAS ERUPTIVASLas rocas eruptivas son formadas por las masas mantas de lava (magma) solidificados y cristalizados.Si un magma es solidificado lentamente y sometido a una presin alta, a gran profundidad, se forma una roca de cristales mayores y grano grueso como el granito, la monzonita, etc.Cuando un magma emerge ms prximo a la superficie de la tierra, en forma de lava, las masas se enfriarn ms rpidamente y formarn una roca con granulacin ms fina, como el basalto, prfido y diabasa.ROCAS SEDIMENTARIASLas rocas sedimentarias estn formadas por el material intemperizado de la corteza slida de la tierra, el mismo que con el tiempo se ha erosionado, ha sido transportado y sedimentado en las bocas de los rios y sobre el fondo de mares prehistricos. Ejemplos de rocas sedimentarias son: areniscas, pizarras, calizas.ROCAS METAMORFICASLas rocas metamrficas estn formadas a partir de rocas eruptivas o sedimentarias. La influencia de la presin, de la temperatura o del intercambio de elementos con el ambiente circundante transforma su estructura y composicinRocas metamrficas LeptitaGneissAnfbolesCuarcitaMrmol caliza cristalinaOrigenLava volcnica GranitoDiabasa, basalto Areniscas de cuarzo CalizasESTRUCTURASLas diferentes especies de roca pueden tambin ser clasificadas de acuerdo a su propia estructura. Si los granos de los minerales estn mezclados en una masa homognea, la roca es masiva, por ejemplo: el granito. En una roca de especie laminada los granos de minerales estn arreglados segn capas lminas.PERFORABILIDAD, DUREZA, TAMAO DEL GRANO, ABRASIVIDADLa perforabilidad de una roca depende, entre otras cosas, de la dureza de los minerales incluidos y del tamao de los granos de los mismos. El cuarzo es uno de los minerales formadores de roca ms comn. Como el cuarzo es muy duro, un alto contenido de cuarzo (ndice de dixido de silicio) har que la roca sea ms difcil de perforar ya que deriva un mayor desgaste en las herramientas de perforacin. La roca, en este caso, es abrasiva. En contraste, una roca con un alto contenido de calcita es fcilmente perforada y origina reducido desgaste de herramientas de perforacin. La roca es poco abrasiva.RESISTENCIA A LA COMPRESINLa resistencia compresiva de una roca es la medida que traduce la capacidad de una muestra de roca para resistir a una carga esttica aplicada sobre ella, hasta que la misma se quiebre. Esta magnitud a menudo es usada para medir la perforabilidad de las rocas.Si la estructura de la roca es de granulometra gruesa, la perforacin ser ms fcil y habr menos abrasividad, en comparacin con una roca con una estructura de granulometra fina: consecuentemente, dos rocas con aproximadamente un mismo contenido de mineral pueden tener perforabilidades completamente diferentes.En la mayora de los casos es difcil clasificar una especie de roca, de acuerdo a su perforabilidad, dependiendo muchas veces las definiciones de un criterio a otro. Una indicacin razonable de perforabilidad de roca puede ser obtenida estudiando la composicin mineralgica, la granulometra y la estructura de la misma.Para poder proporcionar recomendaciones detalladas en cuanto a perforacin, normalmente es necesaria una prueba de perforacin en el terreno.PRINCIPIOS DE PERFORACIN DE ROCASTIPOS DE ROCAYeso Caliza Granito Taconita Arenisca Pizarra CuarcitaResistencia compresiva 1000 1500 2000 2500 3000 4000 5000 (kg / cm2)7000 14000 21000 28000 35000 43000 57000 710000 ( psi)Perforacin por percusin----------------------------------------------------------------------------Perforacin rotary con inserto de carburo de tungsteno-------------------------------------Perforacin rotary con dientes de acero---------------------------------------------------------Rotacin abrasiva Daimond Drills------------------------------------------------------------------PERFORACION POR PERCUSINLa perforacin por percusin es el mtodo ms comn y es usado en casi todos los tipos de roca, ya sea en perforacin convencional en la de martillo en el fondo (down-the-hole).PERFORACION ROTATIVAPerforacin por rotacin/trituracin es un mtodo de intenso desarrollo. Originalmente fue usado en perforacin de pozos de petrleo, ahora est siendo cada vez ms empleado en la perforacin de voladura en minas a cielo abierto, en rocas cada vez ms duras. El mtodo es aplicable en perforacin de rocas con una compresividad de hasta 5000 bar (kg/cm2).PERFORACION ABRASIVO-ROTATIVALa perforacin por rotacin abrasiva es normalmente usada en prospeccin cuando se desea obtener una muestra o testigo; en este caso se usa una broca en forma de aro, con insertos de diamantes.En perforacin por percusin trituracin y corte, una roca es fracturada al encontrarse sometida a una gran carga compresiva, por medio de un botn un inserto de carburo de tungsteno y luego desgarrada por rotacinEn perforacin por percusin trituracin y corte, una roca es fracturada al encontrarse sometida a una gran carga compresiva, por medio de un botn un inserto de carburo de tungsteno y luego desgarrada por rotacinRENDIMIENTO DE LAS BROCAS TRICNICASEl rendimiento de las brocas tricnicas, utilizando aire comprimido como medio para extraer las partculas cortadas tan rpido como se producen, reduciendo los costos de perforacin y acelerando la velocidad de penetracin depende de:a) Velocidad de rotacin de la Broca.b) Presin ejercida sobre el fondo del Taladro.c) Volumen y velocidad de barrido del aire de limpieza. VELOCIDAD DE ROTACIN DE LA BROCALa experiencia ha demostrado que perforando entre 30 y 100 RPM, obtendremos adecuadas velocidades de penetracin y un buen rendimiento por broca.Debido a que las propiedades del terreno pueden variar no solo de un taladro a otro, sino de un metro a otro dentro de un mismo taladro, es necesario utilizar ciertos criterios para tener una buena penetracin en el taladro.A mayor dureza de la roca, utilizar mayor presin sobre el fondo (P/F), de 4,000 8,000lbs por pulgada de dimetro de broca y disminuir la velocidad de rotacin (RPM), esto se hace, por que con mayor presin sobre el fondo (P/F), podemos vencer la resistencia a la Compresin, de la roca que se perfora, se disminuyen las revoluciones (RPM) ya que al aumentar la presin se generan grandes esfuerzos en los rodajes, dientes o insertos reducindose la vida de la brocaB) PRESIN SOBRE EL FONDOComo hemos visto anteriormente, es necesario aplicar suficiente presin sobre la roca para vencer su resistencia a la compresin y luego desgarrarla mediante el giro y suficiente velocidad de limpieza para eliminar las partculas cortadas tan rpido como se forman. Las Brocas Tricnicas B. Rotary pueden perforar en la mayora de las formaciones; sin embargo para obtener el mximo rendimiento en pies perforados y alta velocidad de penetracin, con los subsecuentes ahorros en costo, debemos escoger el tipo de broca adecuado para la formacin que se perfora.En perforacin rotary siempre debemos estar seguros de suministrar un volumen suficiente a una presiona adecuada para asegurar la vida optima de la broca, manteniendo la presin sobre el fondo y las revoluciones requeridas.Se debe suministrar suficiente aire para producir una velocidad anular de retorno de por lo menos 5,000 fpm. Para materiales suaves y 7,000 fpm. Para materiales mas pesados, requiriendose 9,000 fpm para materiales muy pesados y presencia de barro.Para determinar el volumen requerido, usamos la siguiente formula: Q-A*V; teniendo en cuenta que hay muy poca perdida de friccin debido al corto tramo existente entre la compresora y la broca. VQ = ------------ (D2 - d2) 183.35Donde:Q = Volumen de aire circulado a condiciones Estandar.V = Velocidad de limpieza (fpm) D = Dimetro del taladro.d = Dimetro del tubo de perforacin.En la figura adjunta se muestra los volmenes de aire requerido en (fpm) necesarios para producir una velocidad de limpieza de 5,000 y 7,000 fpm. C) VOLUMEN Y VELOCIDAD DE BARRIDO DEL AIRE DE LIMPIEZA PERFORMANCE EN ALTURA La temperatura y la presin ambiental disminuyen con la altura tal como se muestra en el cuadro adjunto.Dichos cambios afectan en la compresora el radio de compresin y por lo tanto la potencia del flujo de aire.Los cambios en las condiciones ambientales tambin afectan la potencia disponible en las maquinas de combustin interna y rendimiento de motores elctricos.Como ejemplo supongamos que tenemos una compresora que entrega Q=1,600 CFM a nivel del mar; que tamao de compresora ser necesario instalar para suministrar dicho volumen de aire a 4,000 msnm.? Para ello utilizamos como factor de correccin la densidad del aire a nivel del mar y a 4,000 msnm. 1.225Q4,000 = 1,600 CFM x ----------- = 2,393 2,400 CFM 0.819 COMO REMOVER E INSTALAR LAS TOBERAS SELECCIN DE TOBERASLas perforadoras rotary en tamaos mayores a 6 in, tienen incorporado un sistema de limpieza con aire a alta velocidad el cual es dirigido hacia el fondo del taladro, circulando entre los conos;Para asegurar su limpieza enfriamiento y remover continuamente todas las particular de roca generadas con la perforacin; se requiere unaVelocidad del aire de limpieza de 5000 a 7000 fpm y una cada de presin de descarga de por lo menos 40 psi, que se descompone como sigue:Mnima cada de presin en la broca = 25 psiPerdidas en las tuberas y manguera = 10 psiMargen de seguridad = 5 psi --------Presin de descarga en la compresora = 40 psiCOMO REMOVER E INSTALAR LAS TOBERASCOMO REMOVER E INSTALAR LAS TOBERASBROCAS DE DIENTE DE ACEROCADA DE PRESIN A TRAVS DE LA BROCA DE DIENTES DE ACERO, CON VARIOS TAMAOS DE TOBERASBROCAS DE INSERTOS DE CARBURO DE TUNGSTENO Volumen estndar de aire entregado en cfmCADA DE PRESIN A TRAVS DE LA BROCA PARA VARIOS TAMAOS DE TOBERASDETALLES DE DISEO DE BROCAS ROTARYEn el diseo de brocas rtary, la principal limitacin es el espacio, ya que el tamao de los componentes est determinado por el dimetro del taladro.Los diferentes componentes: el espesor de los conos, el tamao de los dientes o insertos, el dimetro de los rodajes, y la estructura de soporte deben estar bien balanceados para resistir el severo uso, que incluye: la abrasin, la presin sobre el fondo, y la temperatura que soporta la broca.Para determinar el contorno de los conos: ngulo interno del cono, tamao y ngulo de los dientes o insertos, longitud y ngulo del taln, as como el ngulo del pin, se deben balancear las dimensiones de estos elementos , a fin de optimizar su diseo.CONTINUA DETALLES DE DISEOFinalmente los ejes de los conos estn desplazados del eje de la broca a fin de ahorrar espacio y lograr una accin de arrastre y desgarre de la roca luego de haber sido vencida su resistencia a la compresin.Los rodajes son fabricados con aleaciones de acero al NI, Cr, Mo, y deben ser del mayor tamao y nmero posible, para reducir su carga unitaria, prevenir su fatiga, pero sin comprometer el espesor de los conos, siendo forjados, templados y pulidos con grn precicin. COPNTINUA DETALLES DE DISEOLos requerimientos metalrgicos para cada uno de los componentes de la broca, sujetos a enormes cargas, alto desgaste por abrasin e impacto, deben ser fabricados con aleaciones cuidadosamente procesadas utilizando revestimiento y endurecimiento con aleaciones de carburo de tungsteno, para resistir los enormes esfuerzos a que son sometidas.Los dientes de los conos son fabricados con acero al Ni-Mo, forjados y carburizados con doble templado.Los conos con insertos de carburo de tungsteno son fabricados con aceros especiales , forjados, carburizados y templados en aceite. En los cuadros siguientes se explica tanto los aspectos de diseo, los tipos de broca y las formaciones que pueden perforarse con dichos tipos de brocaExisten bsicamente 4 tipos de brocas: B para perforaciones suaves, medias, duras, duras y abrasivas BROCAS DE DIENTES DE ACERO BROCAS DE INSERTO DE CARBURO DE TUNGSTENOLas brocas de inserto de carburo de tungsteno perforan 4 a 10 veces mas ft/brocas que las de dientes de acero, igualmente su velocidad de penetracin es mayor, se recomienda no exceder la presin de 2,000 a 4,000 lb/in de dimetro de broca igualmente la velocidad de rotacin deben mantenerse entre 50 y 80 RPM`s en caso contrario daaran los rodajes y conos de las brocas.Drillability testDurante la etapa de planeamiento de una mina se requiere predecir costos de perforacin, una forma de obtenerlos sera llevando una perforadora al proyecto, esto resulta muy caro, la otra es mediante pruebas de laboratorio.Micro bit test (Para formaciones suaves a duras).La prueba consiste en perforar una muestra representativa de roca con una broca de 11/4 de dimetro, montada en una perforadora y un torno para sujetar la muestra.La prueba estndar consiste en perforar 3/32 , registrando el tiempo y el avance para cada 1/32de avance, con 60 RPM s, y 200 libras de pull down, luego se mide el desgaste en la broca, efectundose tres o ms pruebas, obtenindose un promedio del avance y el desgaste en la broca. Indentor test ( para formaciones muy duras)La prueba micro bit ha resultado exitosa para perforar formaciones suaves a duras pero no da buenos resultados para formaciones muy duras. La prueba Indentor consiste en penetrar la muestrs de roca con un inserto hemisfrico de carburo de tungsteno de de dimetro, montada en una prensa hidrulica, aplicando presin hasta producir una astilla en la muestra de roca, estableciendo luego de varias pruebas un promedio,Estimados de perforabilidadPreviamente se han preparado tablas con las estadsticas de performance con brocas de tamao real en diferentes minas, con muchas muestras, tanto en operaciones reales como en laboratorio, determinando la P/F, RPMs y el avance en pies / minuto. Basndose en la data obtenida con las pruebas de Micobit e Indentor y las tablas elaboradas se determina el tipo de broca, la vida de la broca y los pies peforados / hora. Dull bitsPara obtener mximos pies perforados y avance en Pies /hora, con la subsiguiente reduccin de costos, debemos seleccionar la broca adecuada para la formacin que se perfora, con el adecuado pull down, RPMs y adecuada velocidad de limpieza El examen cuidadoso de las brocas desgastadas nos puede dar valiosa informacin para recomendar el tipo adecuado de broca que se requiere y/o si tenemos deficiencias en las operaciones, baja velocidad del aire de limpieza u obstruccin en los ductos de aire.En la fig. 29 se nota la rotura excesiva de dientes en una broca tipo S, que puede ser causada por aplicar excesiva P/F y/o RPMs, en una formacin dura.En la figura 30 se muestra una broca tipo M, con excesiva rotura de dientes , debido probablemente a perforar en roca dura con excesivo P/F y/o RPMs,La figura 31 muestra una broca tipo H, muy desgastada por perforar en una formacin dura y abrasiva que requiere una broca tipo HR.La figura 32 muestra el desgaste tpico de una broca HH 33(para perforar formaciones blandas),con excesivo desgaste en la matrz por perforar rocas abrasivas con la broca equivocada.L figura 33 ilustra la excesiva rotura de insertos en el taln (heel) debido probablemente a perforar con una broca ``HH 44``en roca excesivamente dura.La figura 34 muestra los hilos del shank daados por efectuar una mala conexin ( por bajar con demasiada velocidad el tren de perforacin), o por utilizar un tubo de perforacin arqueado.La figura 35 muestra desgaste irregular en los conos debido probablemente a utilizar tubos de perforacin (drill pipe) arqueados.La figura 36 muestra severa erosin en la matriz de los conos y cola de camisa (shirt tail) debido probablemente a baja velocidad anular de limpieza u obstruccin en los ductos o demasiada densidad y/o humedad del material perforado.La figura 37 muestra el desgaste producido por un cono obstruido o que no gira pues los ductos de aire se han tapado o hay baja velocidad de limpieza.FRACTURAS EN LA SOLDADURA INDICAN QUE LA BROCA A ENCONTRADO UNA ROCA MUY DURA O QUE EL TREN DE PERFORACION A IMPACTADO A ALTA VELOCIDAD EN EL FONDOEjercicio para resolver:Para la perforadora 60R del ejercicio resuelto, perforando: en roca dura, con brocas de 12 , tubos de perforacin de 10 , a 3,900 msnm, si se requiere una velocidad anular de limpieza de 5,000 ft/min. Calcular capacidad de la compresora (CFM), el dimetro de pitones y recomendar el tipo de Brocas de inserto de carburo de tungsteno a ser usada?Trnsito a la izquierdaDatos de diseo y produccinCargo de explosivos GRACIAS!!!!