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• Cristoferrey Acerreto

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UNIVERSIDAD NACIONAL MAYOR DE SAN MARCOS (Universidad del Perú, Decana de América)

FACULTAD DE INGENIERIA GEOLÓGICA MINERA, METALÚRGICA Y GEOGRÁFICA E.A.P.MINAS

Curso:

TÚNELES Profesor: TOLEDO GARAY, Enrique

Alumnos: QUISPE CARTAGENA, Hortencia

Tema: “CHIMENEAS ALIMAK Y RAISE BORING”

Ciudad Universitaria, 09 de Diciembre del 2015

INDICE

I.

INTRODUCCIÓN ......................................................................................................... 3

II.

MARCO TEÓRICO....................................................................................................... 4

1. CHIMENEA ................................................................................................................ 4 2. TIPOS DE CHIMENEAS ............................................................................................... 4 3. METODOS DE CONSTRUCCIÓN DE CHIMENEAS .......................................................... 5 a) MÉTODO MECANIZADO DE CONSTRUCCIÓN DE CHIMENEAS CON PLATAFORMA ALIMAK ............................................................................................................................... 5 i.

CARACTERÍSTICAS DE LA PLATAFORMA ALIMAK ............................................................. 6

ii. DESCRIPCIÓN DE LAS PARTES........................................................................................... 6 iii. EXCAVACIÓN DE LA CÁMARA........................................................................................... 8 iv. SECUENCIA OPERACIONAL ............................................................................................... 9 v. VENTAJAS Y DESVENTAJAS ............................................................................................. 13 b) MÉTODO MECANIZADO DE CONSTRUCCIÓN DE CHIMENEAS CON EL SISTEMA RAISE BORINGK ........................................................................................................................... 13 i.

DESCRIPCIÓN GENERAL DEL PROCESO........................................................................... 14

ii. EQUIPO RAISE BORING ................................................................................................... 16 iii. RENDIMIENTO DE EXCAVACIÓN ..................................................................................... 20 iv. VENTAJAS Y LIMITACIONES ............................................................................................ 20 v. APLICACIONES ................................................................................................................ 21 4. BIBLIOGRAFÍA ......................................................................................................... 22

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INTRODUCCIÓN

En las operaciones mineras subterráneas es indispensable un sistema de túneles, galerías y chimeneas, cuyo objetivo principal es permitir el acceso del personal, el transporte de minerales/materiales y ventilación en los distintos niveles. Cuando estas labores son verticales o inclinadas, nos estamos refiriendo a piques/chimeneas, las cuales se diferencian por su forma de perforación, realizándose de forma ascendente en las chimeneas y descendente en los piques. La construcción de dichas labores verticales, es un proceso complejo que trae consigo dificultades, por ende se deben considerar diversos factores que afectan en gran medida su elaboración, tales como costos, seguridad, tiempo, entre otros. Es por estos factores que para la realización de las chimeneas existen diferentes técnicas y métodos, que dependiendo de las características innatas de la mina disponen soluciones acorde a las necesidades de las empresas.

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I.

MARCO TEORICO

1. CHIMENEA.- Labor entre dos galerías excavada en sentido ascendente. Sus dimensiones son reducidas y poseen una inclinación superior a los 45 grados. Se construyen en las minas subterráneas con la siguiente finalidad:    

Delimitar el tajeo de explotación. Servir como labor para la ventilación. Servir para el paso del relleno detrítico hacia el tajeo. Servir como chimenea de servicio; camino, pase de tubos de aire comprimido, agua, etc.

2. TIPOS DE CHIMENEAS a) Según su forma:   

Circulares Cuadradas Rectangulares

b) Según su sección:   

Simple. Sección 4’ x 4’ Doble. Sección 4’ x 8’ Triple. Sección 4’ x 12’

c) Según su longitud:  Cortas: hasta 50 m  Largas: de 51 a 100 m  De gran longitud: > de 100 m

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3. METODOS DE CONSTRUCCION DE CHIMENEAS Los métodos de construcción de chimeneas generalmente están relacionados al sistema de minado convencional y/o mecanizado. En base a estas consideraciones se tiene:  

Método convencional de construcción: realizado con puntales de avance, plataforma de madera y máquina perforadora stoper. Método mecanizado de construcción. En este caso la construcción de una chimenea puede realizarse con: plataforma trepadora Alimak y con equipo Raise Borer.

a) METODO MECANIZADO DE CONSTRUCCION DE CHIMENEAS CON PLATAFORMA ALIMAK El método Alimak se introdujo por primera vez en 1959 y se constituyó inmediatamente en uno de los más empleados por su bajo costo, seguridad y eficacia. Con el mismo equipo pueden excavarse chimeneas de diversas áreas, inclinaciones y longitudes. Las plataformas trepadoras con propulsión neumática son generalmente utilizadas en minería para desarrollar chimeneas cortas, cabe destacar que este método no solo es aplicable a faenas mineras sino que también a obras civiles y proyectos hidroeléctricos. Con este sistema es posible desarrollar chimeneas, piques de traspaso, piques de ventilación, piques principales y piques de comunicación. Consideraciones: En la elección de la plataforma Alimak a emplearse en la construcción de chimeneas, se debe tener en cuenta las siguientes consideraciones: a.- Caracterización del macizo rocoso, para lo cual el macizo debe tener un RMR de 50, RQD de 60 y un Q de 6 que corresponde a una calidad de macizo rocoso de regular a buena. b.- La chimenea debe construirse en rocas de caja y ser específico que en este caso es una chimenea para ore pass. c.- La sección mínima para este tipo de chimenea será de 2.40 x 2.40 m. y el modelo será. d.- La longitud mínima de la chimenea debe ser de 50 m. e.-La inclinación recomendable de la chimenea, puede variar de 60° a 90°.

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i.

CARACTERISTICAS DE LA PLATAFORMA ALIMAK

La máquina Alimak es una plataforma/jaula que sube la chimenea por una cremallera empernada a la pared y debido a su gran flexibilidad, economía y velocidad se utiliza para la excavación de chimeneas y piques. Este equipo está especialmente diseñado para la construcción de chimeneas desde 90° hasta 65°, los cuales pueden ser con sistema neumático, eléctrico o diesel. En la minería subterránea, actualmente la plataforma Alimak, se ha convertido en un equipo muy usado, especialmente donde no existe ningún nivel de acceso superior (frente al Raise Boring). Existen dos grandes empresas que fabrican estas plataformas Alimak, estas son ATLAS COPCO y SANDVIK.

ii.

DESCRIPCION DE LAS PARTES

Unidad propulsora: con piñones engranados a la cremallera de linterna del carril guía la propulsión que en este caso es mediante accionamiento eléctrico. Un elemento importante es el freno centrífugo que limita la velocidad de la plataforma trepadora en descenso por gravedad. Armazón: compuesto por conjunto de rodillos y dispositivos de seguridad que automáticamente frena a la trepadora si la velocidad de descenso excede el límite predeterminado de seguridad. Plataforma de trabajo: permite a los trabajadores realizar el armado del carril, perforar, cargar, emparejar.

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Tambor de enrollamiento: es automática de manguera o cable que funciona cuando la trepadora asciende o desciende. Válvula múltiple: comprende al agua y aire que suministra estos servicios para las perforadoras. Bomba de alta presión: está compuesta por un sistema de pistones que es accionada por una polea que bombea el agua cuando la presión disminuye o cuando la altura es mayor. Trepador de servicio: Siempre se debe tener operativo este sistema que es de emergencia y sobre todo para brindar apoyo al trepador principal. Cabezal de perforación: es un sistema de almacenamiento de agua y aire de donde parte para la conexión de agua y aire a la perforadora Stoker durante la perforación. Cabezal de disparo: es un sistema de protección que se coloca al final del carril con el objetivo de protegerlo.

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iii.

EXCAVACION DE LA CAMARA

Las cámaras se construirán sobre una galería, una servirá para el tránsito de personal y la otra para la limpieza de la carga con el scoop. Las dimensiones debajo mencionadas son las mismas. El descombro de las roca volada se llevara desde el costado, caso de tener que emplear otro sistema de descombrar, ello deberá de planearse antes de iniciar la instalación. La trepadora deberá poder pasar sobre la roca volada antes de que comience la operación de limpieza de escombros. Debido a los peligros de la roca cayente, está prohibido el paso por debajo de la chimenea excavada. Se excavara un desvió entre las galeras horizontales para transito del personal.

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iv.

SECUENCIA OPERACIONAL

La construcción de la chimenea mediante la plataforma trepadora Alimak, netamente comprende: subida de la plataforma, perforación, descenso de la plataforma, voladura, ventilación, los cuales pueden observarse en la figura siguiente, sin embargo la limpieza es también una etapa importante dentro de la construcción.

Las etapas operacionales se describen a continuación: Perforación Se realiza desde la plataforma bajo un techo protector de acero (paragua), el aire y agua (utilizadas para barrenar) y la ventilación, se reciben a través de las tuberías del riel guía.

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Instalado la plataforma se da inicio con la perforación de la chimenea mediante máquina stoper. En esta etapa se evaluará la calidad de roca desde el punto de vista geomecánico, para realizar el sostenimiento puntual o sistemático con pernos helicoidales o splits set. Descenso del equipo Alimak Antes que se efectúe la voladura, la plataforma Alimak debe bajarse solo por gravedad (puesto que la corriente eléctrica ha sido cortada), para lo cual la velocidad está limitado por los frenos centrífugo superior e inferior (velocidad de descenso de 18 m./min), además del freno de mano y un freno de pie. También cuenta con el sistema de seguridad GA-5 que es el paracaídas, algo similar a las leonas en las jaulas de un pique. Como medida de seguridad, el operador antes de descender la plataforma debe revisar todos los accesorios como: fijación, contracorredera y reajuste del dispositivo de seguridad, piñones, correderas, juntas, frenos, equipo telefónico. Durante el descenso revisar el carril guía y verificar que la plataforma no se atore con el muro de roca. Voladura Una vez perforado y cargado el material, se lleva la plataforma trepadora en descenso a su lugar de estacionamiento en el fondo de la chimenea, de esta manera está protegida al momento de la detonación.

Los taladros perforados se cargarán con dinamita de 60% tanto en el corte como en el resto de la columna. Como accesorio para la voladura se empleará fanel de periodo corto y para el encendido de todos los taladros cordón detonante.

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Para iniciar el cordón detonante y por razones de seguridad, se utilizará fulminante eléctrico conectado a un cable cuya longitud será igual al de la chimenea que se va excavando y encendido desde la parte inferior en forma automática. Ventilación Una mezcla de aire y agua atomizada desde lo alto del riel guía limpia los gases y el polvo de la chimenea resultantes de la explosión. En el extremo superior del riel guía hay una placa cabezal cuyo propósito es protegerla de la explosión.

Después de cada disparo, se ventilará la chimenea con aire comprimido y agua, soltando desde la válvula múltiple y en la salida existe el cabezal de disparo que tiene la función de expandir. El tiempo de ventilación debe ser como mínimo de 20 minutos. Desatado Es la acción de derribar el material inestable que queda después de la explosión. La acuñadura de la frente y cajas se realiza bajo la protección del techo de seguridad.

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Limpieza El material producto de la voladura de la chimenea, se deposita en la cámara de almacenamiento cuya fragmentación es variado y la limpieza es efectuada mediante un scoop. Desmontaje Concluida la ejecución de la chimenea, se realiza un chequeo minucioso en lo que respecta a seguridad y se inicia la recuperación de los carriles de la parte superior, todo en forma descendente y la integridad de las partes es recuperable y se vuelve a utilizar en una próxima chimenea, además se debe verificar algunas piezas que tengan cierto deterioro para su reparación y darle de baja. Personal La cantidad de personal requerido para la operación de la plataforma Alimak es el siguiente: Ocupación Operador alimak Perforista Valvulero Total

Cantidad 1 1 1 3

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v.

VENTAJAS Y DESVENTAJAS

VENTAJAS a) Se puede usar para chimeneas de pequeña a gran longitud y con cualquier inclinación. b) Es posible cambiar la inclinación de las chimeneas mediante el uso de carriles curvos c) La preparación inicial del área de trabajo es muy reducida d) Se puede construir chimeneas con diferentes secciones cambiando las plataformas siendo posible excavar secciones de 3 m2 a 20 m2 e) No necesita un nivel de acceso superior para su ejecución DESVENTAJAS a) Requiere a mano de obra especializada b) Al realizar el desmontaje ya no se pueden recuperar algunos de sus componentes c) Cuando se ejecutan chimeneas de gran longitud se tienen problemas con los servicios como caída de tensión, baja presión de agua y aire, etc. b) MÉTODO MECANIZADO DE CONSTRUCCIÓN DE CHIMEAS CON EL SISTEMA RAISE BORING El método Raise Boring consiste principalmente en la utilización de una máquina electrohidráulica en la cual la rotación se logra a través de un motor eléctrico y el empuje del equipo se realiza a través de bombas hidráulicas que accionan cilindros hidráulicos. Básicamente la operación consiste en perforar, descendiendo, un tiro piloto desde una superficie superior, donde se instala el equipo, hasta un nivel inferior. Posteriormente se conecta en el nivel inferior el escariador el cual actúa en ascenso, excavando por corte y cizalle, la chimenea, al diámetro deseado. Dependiendo de las características del equipo el motor eléctrico puede ser de 100 HP a 500 HP, este rango de potencias irá directamente en relación con el diámetro final de escariado y la longitud del pique o chimenea. En este método de excavación de chimeneas se necesitará contar con dos superficies de trabajo: Al inicio de la excavación, en la parte superior y al final de la excavación en la parte inferior. Es decir el método será aplicable para excavaciones en interior de la mina entre dos galerías o desde superficie a una galería ubicada al interior de la mina.

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i.

DESCRIPCIÓN GENERAL DEL PROCESO El proceso de ejecución del método de Raise Bore, consta de dos etapas principales, a continuación descritas en orden secuencial. Perforación del tiro piloto o sondaje piloto Se realiza descendente, vertical o con inclinaciones de hasta 40°, utilizando como herramienta de corte un tricono de rodamientos sellados. El avance de la perforación se logra agregando barras extensoras y estabilizadoras a la columna de perforación, dependiendo de la profundidad deseada y las condiciones geológicas y geomecánicas. Durante la perforación, la extracción del detritus se realiza mediante la inyección a presión de agua o sustancias acuosas con aditivos espesantes a fin de eyectarlas a la superficie. Usualmente, para conseguir esto, se recurre a bombas de 37 a 50kW de potencia. Y el caudal mínimo requerido es de 150 galones por minuto (GPM). Sin embargo, si la calidad dela granulometría de la roca es muy disgregable, se utiliza aire a presión para la evacuación de los residuos. Una altura de salida del flujo de agua, con detritus, o "bailing", de 10 a 12 centímetros, medida de la salida del pozo, nos indicará un buen barrido. Bajo ese valor será necesario revisar posibles inconvenientes como: pérdidas de agua por el fondo, falta de volumen de agua para barrer o aumento de densidad del material a extraer. Normalmente junto al equipo será necesario tener una poza de unos 32 m3 para almacenamiento y recirculación del agua utilizada en el barrido del detritus. En caso de tener un tipo de roca muy deleznable, en que el barrido con agua no sea adecuado, será necesario utilizar aire comprimido a alta presión para esta operación. Habitualmente se utiliza para perforaciones de unos 250 m. de longitud aire comprimido a razón de 900 a 1200 CFM con 200 a 300 PSI. La deflexión o desviación del tiro piloto dependerá de la pericia de operación y de la calidad del macizo rocoso a perforar. La presencia dediques, fallas o discontinuidades en general, tenderá a provocar mayores desviaciones, de las cuales se consideran dentro de los rangos esperados desviaciones no mayores al 1%. Escariado o ensanchamiento del tiro piloto La segunda etapa del proceso, que consiste en reemplazar el tricono por el cabezal escariador o reamer head, una vez éste haya emergido en la superficie superior de la galería, donde finalizó la perforación piloto. El escariador avanza en ascenso y rotando, siguiendo la dirección del tiro piloto, excavando la roca por corte y cizalle para lograr el diámetro deseado de la chimenea. Por este motivo, el cabezal consta de piñones para triturar la roca a medida que sube.

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La presión de empuje es mayor (de unas 5 veces) en esta etapa que en su antecesora, y no es injustificado, pues el avance realizado es contra la gravedad y se requiere de un mayor esfuerzo para ascender entre el macizo. Durante el ascenso del escariador, se requiere de un scooptram en la línea de caída de la roca, a fin de transportar la ganga a los botaderos y la mena a la sección de tratamiento posterior.

Retiro del escariador al final de la excavación Para retirar el escariador al final de la excavación existen 2 alternativas. 

Bajar la columna de barras, desconectar y retirar el escariador por el fondo de la chimenea o pique, a través de la galería inferior. En este caso será necesario dejar un puente de roca, no excavado, en la parte superior de 2 a 3 metros dependiendo del diámetro final de excavación y la calidad geomecánica de la roca excavada.



Excavar la chimenea completa, retirando el escariador por la parte superior de la excavación. Normalmente es posible utilizar esta alternativa cuando el inicio del pique o chimenea está en la superficie. Para realizar esta operación se requiere montar el equipo Raise Borer en vigas metálicas que atraviesen la excavación circular abierta en superficie, sostener el escariador desconectado de la columna mediante una grúa, retiro del equipo, para finalizar con el retiro del escariador.

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ii.

EQUIPO RAISE BORING Motor Eléctrico Encargado dar la rotación a la columna de perforación en las 2 etapas: perforación piloto y escariado. En la etapa de perforación piloto la columna rota a una velocidad de 30 RPM y en la etapa de escariado a 8 RPM. Tiene un sistema eléctrico hidráulico de 100 HP y la energía eléctrica debe ser de 440Volt / 60Hz.

Sistema de Empuje electrohidráulico Conjunto de bombas hidráulicas y electroválvulas de alta presión, alrededor de 3000 PSI, que entrega la presión de trabajo a los cilindros hidráulicos para el empuje en las dos etapas de la operación. La presión necesaria para la operación dependerá de: longitud de la columna suspendida, calidad geomecánica de la roca a excavar, calidad estructural de la roca y diámetro final de la excavación. En general podemos indicar los siguientes rangos de presión de trabajo: Perforación Piloto: 0 a 3 MPa Escariado: 4 a 20 MPa El consumo mínimo de agua es de 30 galones por minuto (GPM) para el enfriamiento hidráulico.

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Sistema de Sujeción de la Columna de Barras Corresponden a componentes mecánicos, tratados térmicamente que tienen como misión sujetar la columna en las 2 etapas de la operación, transmitiendo la energía de empuje y rotación a las herramientas de corte.

Bases y Cuerpo Principal del Equipo Componentes fabricados en fierro fundido donde se montan los elementos anteriormente señalados. El conjunto completo es montado en la base de concreto.

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Conjunto Eléctrico Sistema de componentes eléctricos compuestos por transformadores, sistemas de partidas suaves, "soft starter", limitador de torque y sistemas de seguridad que resguardan la rotura o daño de la columna extendida en situaciones de partidas y detenciones de rotación en cualquiera de las etapas. Columna de perforación Formada básicamente por barras, estabilizadores de piloto y de escariado, cross over, stem bar y barra de partida. La adecuada combinación de este material, permite una operación eficiente y segura. Escariador o Cabezal Estructura metálica, asimétrica, donde van ubicados los cortadores que dan el área de corte final de excavación. Normalmente construido en aceros especiales, conectada a la barra stem, trabaja por empuje y rotación en forma ascendente, contra el macizo rocoso provocando su ruptura por corte cizalle. El número y disposición de los cortadores definirá el área final de excavación. Las cantidades de cortadores pueden variar según el modelo de escariador se adopte.

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Cabeza Rimadora o escariadora, embonada con la columna de barras.

Estación de trabajo La estación de trabajo corresponde al conjunto de piezas y mecanismos donde el equipo se sostiene. Puede estar ubicada en superficie o dentro de una galería. En promedio, cada estación de trabajo requiere de 10m2, aproximadamente, de superficie para su operación óptima, en la cual se anclará la losa de concreto. Cada modelo requiere diferentes alturas, según se especifica en la siguiente tabla. Dimensiones de las estaciones de trabajo según equipo.

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Columna de perforación con el piloto y con la cabeza rimadora

iii.

RENDIMIENTO DE EXCAVACIÓN Si bien el rendimiento y el desempeño de éste método va fuertemente ligado a las condiciones de trabajo, como la geomecánica del macizo, la profundidad del piqueo el diámetro esperado, en general, es posible afirmar rotundamente que es uno de los más eficientes en cuanto a rendimientos netos.

iv.

VENTAJAS Y LIMITACIONES El Raise Borer es un sistema que garantiza seguridad y eficiencia, siendo éstas sus principales ventajas.



Excelente seguridad de personal, ya que en la mayoría de los casos no hay trabajadores en la línea de caída de la roca. Mayor producción y rendimiento, comparado a métodos convencionales de ruptura de roca con explosivos. Coste efectivo. Se elimina personal altamente cualificado para la perforación de pozos y chimeneas. La reducción es más evidente conforme aumenta la longitud de la excavación. Gran autonomía en excavación de piques de gran longitud. Alta razón de avance en metros por día. No existe overbreak (sobre excavación), debido a la precisión del equipo.

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v.

Versatilidad para excavar en ángulos sub-horizontales, a pesar de estar diseñado para piques verticales. Los muros escariados son perfectamente lisos, facilitando el trabajo posterior a la excavación de la chimenea y la circulación de aire. Además, en la mayoría de los casos no se requiere de sostenimiento o fortificación. No obstante, también existen desventajas propias de éste método. Dentro de las más relevantes tenemos: Falta de flexibilidad en cuanto a tamaños y formas de la chimenea. La dirección de ésta no puede ser cambiada una vez ha comenzado el proceso. Requiere de una gran inversión en infraestructura, equipo y mantención, aproximadamente 15.000 US$. Alto costo por metro lineal de excavación, ascendente a 600 US$/m. Presenta inconvenientes al ser utilizado en rocas de mala calidad. Requiere de personal altamente especializado y preparación previa en el área de trabajo. APLICACIONES El método Raise Borer es actualmente aplicable con éxito a una amplia variedad de actividades mineras



Chimeneas de ventilación: Por la calidad de paredes lisas, la pérdida de carga y la resistencia a la circulación disminuyen notablemente.

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Chimeneas de traspaso de mineral: Al tener paredes lisas aumenta el deslizamiento de material al pasar por la chimenea, aumentando la eficiencia y reduciendo los casos de atascamiento.

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Chimeneas de servicio y acceso: Por la terminación y los diámetros pequeños que es posible obtener, el Raise Borer es una excelente opción para el paso de aire comprimido, agua, drenajes y cables de energía eléctrica. Además, al ser más estables las paredes de la chimenea, se hace más seguro el acceso del personal.

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4. BIBLIOGRAFIA          

ALIMAK. Equipos y métodos para minería y obras subterráneas. BIRON CAMANEL Diseño de ademes en Minas. INGEMMET. Geología del distrito de Mala. TESIS. Construcción de chimeneas método convencional y plataforma Alimak TESIS. Ejecucion de chimeneas mediante sistema Alimak y Raise Borer Articulo. Jaula trepadora Alimak. TESIS. Ejecución de chimeneas mediante sistema Alimak y V.C.R Ejecución de chimeneas mediante Raise Borer, Eric Medel Quiroz, Camila Ojeda Castillo, Universidad de Santiago de Chile, 30 de Agosto, 2012 Ubilla Campos, Luis Rodrigo. Mecanización de desarrollos verticales con equipos escariadores. 2006. Instituto Geológico y Minero de España. Codiv S.L., Departamento técnico de microtúneles Sonntag. Sistema de excavación: Raise-Boring.

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