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Atlas Copco Rock Drilling Tools Geología / Teoría Perforación

Francisco Badilla P-CA

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Minerales y rocas La corteza de la tierra consiste en una variedad de rocas, formada bajo diferentes circunstancias. Las rocas están compuestas por uno o más minerales. Un mineral es una substancia formada por naturaleza. Un mineral puede ser un elemento o puede consistir en compuestos químicos que contienen varios elementos. Hay más bien, más de 3,000 diferentes minerales. De los 103 elementos conocidos, oxígeno es lejos el más común abarcando aproximadamente el 50 % de la corteza de la tierra. Silicona aproximadamente el 25 %, aluminio, hierro, calcio, sodio, potasio, magnesio y el titanio, junto con oxígeno, abarcan sobre 99 %. Silicona, aluminio y oxígeno están comúnmente en los minerales de cuarzo, feldospato y mica. Ellos forman el grupo grande conocido como silicatos, un silicato es un compuesto formado por ácido de silicio y otros elementos. También incluido es anfíbol y piroxeno que contienen aluminio, potasio e hierro. Algunas de las rocas comunes de la tierra, granito y gneis, son compuesto de silicatos.

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Rock Drilling Tools Diagrama muestra sucesos de minerales en la corteza de la tierra

1 Dispersión-Calcita 2 Cuerpos mineralizados Pirita Calcopirita 3 Bauxita y otros esquistos 4 Carbonífera Cuarzo 5 Cuerpos mineralizados Azurita Cuprita 6 Sedimentos Oro plata diamante 7 Roca volcánica mica magnetita 8 metamórfica carbonifera cuarzo 9 metamórfica calcárea Calcita dolomita 10 Zona de contacto súlfuros

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Características de los minerales Algunas de las características de los minerales son: Dureza

Densidad

Brillo Cristales

Color Fracturación

Rayado

Hendidura

La dureza se mide en grados de acuerdo a la escala de Moh’s, que va de 1 a 10 1. Talco 2. Yeso 3. Calcita 4. Fluorita 5. Apatito 6. Ortoclasa 7. Cuarzo 8. Topacio 9. Corindón 10. Diamante

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Propiedades de la roca Para poder prever el resultado de la perforación con respeto a la proporción de penetración, calidad del agujero, taladro-acero, costos, etc., nosotros debemos poder hacer una apreciación correcta de la roca involucrada. Así para que nosotros podamos distinguir entre propiedades microscópicos y macroscópicas. Una piedra está compuesta de granos de varios minerales y entre las propiedades microscópicas la composición del mineral, tamaño de grano, la forma y distribución de los granos. Tomado juntos estos factores deciden las propiedades importantes de la piedra, como dureza, abrasividad, resistencia a la compresión y densidad. Éstas propiedades, en su globalidad, determinan la tasa de penetración y cómo eso puede lograrse y cual será la herramienta de uso. La perforabilidad de una piedra depende en adelante, entre otras cosas, de la dureza de sus minerales constitutivos y del tamaño de grano y la forma del cristal. Cuarzo es uno los minerales comunes en rocas. Debido a que el cuarzo es material muy duro, un volumen de cuarzo alto (SiO2) hacen la roca muy difícil de taladrar y causa mucho trabajo y desgaste al acero de perforación, nosotros decimos que la roca es abrasiva. Recíprocamente, una roca con un volumen alto de calcita es fácil taladrar y causa bajo trabajo y desgaste al acero de perforación

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Propiedades de la roca Las rocas son clasificadas en tres grupos principales relativos a la base de su origen y la manera en que ellos se formaron: 1. las rocas ígneas o magmáticas (formado a partir de la solidificación de la lava o ”magma”). 2. las rocas sedimentarias (formado por deposición de material roto o por precipitación química). 3. las rocas metamórficas (formado por la transformación de rocas ígneas o sedimentarias, en la mayoría de los casos por un aumento en presión y calor).

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Propiedades de la roca Roca ígnea Se forman rocas ígneas cuando un magma solidifica profundamente bajo en la corteza terrestre (roca plutónica), o cuando sube hacia la superficie (fallas en roca) o en la superficie (roca volcánica). El componente (minerales) más importante es el cuarzo y silicatos de varias composiciones, principalmente el feldospasto de roca plutónica, solidifica despacio y se forma por consiguiente grano tosco, mientras las rocas volcánicas solidifican rápidamente y se vuelven en grano fino

Roca ígnea Cobre nativo en basalto Pagmatita

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Propiedades de la roca Rocas sedimentarias Las rocas sedimentarias son formadas por la deposición de material por acción mecánica o química y una consolidación de este material bajo la presión de capas. Frecuentemente ocurre que la formación de la roca está rota por la acción mecánica (curando), llevando y depositado en ella agua. Así la piedra 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. Roca Sedimentaria Hematita Dolomita

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Propiedades de la roca Rocas metamórficas Los efectos de acción química o la presión y/o la temperatura en una formación de roca puede algunas veces producir una transformación llamada metamórfosis. Por ej., presión y temperatura podrían aumentar bajo la influencia del brote de magma, o porque la formación ha hundido más profundamente en la corteza de la tierra. 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 taladrar. Roca Metamórfica

Granito Leptita

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Clasificación de la roca 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. El término ”perforabilidad” se usa aquí para significar principalmente la proporción a la que la herramienta penetra en la roca, pero en el sentido más amplio se extiende al resultar calidad del agujero, rectitud del agujero, el riesgo de herramienta se bloquee etc. el uso de la Herramienta es a menudo proporcional a perforabilidad, aunque también depende de cuanto abrasiva sea la roca.

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Clasificación de la roca

Atlas Copco Rock Drilling Tools Teoría Perforación La energía requerida para romper la roca se genera por una perforadora neumática o hidráulica. Máquinas de esta clase de construcción donde una alta presión se descarga sobre el pistón delantero. El pistón golpea al adaptador de culata. La energía cinética del pistón se convierte en una onda de tensión que viaja a lo largo del taladro hasta a la roca. Para obtener el mejor posible economía del sistema de perforación, es decir, perforadora-acero-roca, se debe armonizar. En adelante damos una descripción teórica cómo esto es posible de ser logrado en la perforación de roca.

Atlas Copco Rock Drilling Tools Teoría Perforación Forma de la onda y potencia Teóricamente, la onda tiene una forma rectangular. Su longitud es dos veces la del pistón, mientras su altura depende de la velocidad del pistón al momento del impacto y la relación entre el área del pistón y del acero de perforación. La energía total que la onda contiene se indica diagramaticalmente por el campo gris en figura para calcular la potencia de salida de una perforadora nosotros multiplicamos la energía de la onda por la frecuencia de impacto del pistón, y normalmente se declara en kW. Desarrollar perforadoras con características especiales requiere se combine varias variables, como la geometría del pistón, la proporción de impacto y la frecuencia. Dos máquinas con las mismas tasas de potencia nominales podrían comportarse por consiguiente bastante diferentemente.

Atlas Copco Rock Drilling Tools Teoría Perforación Forma de la onda y potencia Las formas de onda que se generan en perforadora hidráulica (Fig. 3) y neumática (Fig. 4) son diferentes en forma. Un acero usado con máquinas hidráulicas normalmente muestra una vida de servicio substancialmente más larga que uno usado con máquinas neumáticas, la razón, es que el nivel de tensión es más alto con un pistón neumático. Esto es debido a que el pistón neumático tiene una sección más grande y necesita una presión del funcionamiento substancialmente más baja 6-8 bar, para que el taladro neumático opere, comparado con los 150-250 bar encontrados en sistemas hidráulico. El pistón más delgado dará tensión más baja en el acero.

Atlas Copco Rock Drilling Tools Teoría Perforación Forma de la onda y potencia La siguiente figura muestra tres pistones: Pistón 1 es el de una perforadora neumática que opera a una presión de 0.8 MPa (8 bar). Pistón 2, es de una perforadora hidráulica que opera a una presión de 12 MPa (120 bar). Pistón 3, es un pistón hidráulico operando a una presión de 20 MPa (200 bar). Los pistones en este ejemplo son del mismo peso y velocidad de impacto, es decir la velocidad a que el pistón golpea el adaptador, también es el mismo (normalmente sobre 10 m/sec.). Si nosotros calculamos la tensión en el acero del taladro producido por estos tres pistones, vemos el diagrama de fondo, revela que la tensión más baja (amplitud de la onda de choque) se obtiene con el pistón delgado largo (No. 3).

Atlas Copco Rock Drilling Tools Teoría Perforación Forma de la onda y potencia

Atlas Copco Rock Drilling Tools Teoría Perforación Forma de la onda y potencia Si nosotros medimos la tensión en el acero de los pistones 2 y 3 podemos ver en el siguiente diagrama que la tensión en el acero es 250-300 MPa (25-30 kg/mm2) y que la ”primera onda de choque” tiene una longitud de aproximadamente 1,200 mm que es la velocidad del sonido en el acero, 5,200 m/sec., multiplicado por el tiempo en milésimas de segundo, 0.23 msec.

5,200 x = 1.2 M = 1,200 mm ¿Cuánta fuerza hace este producto para que el acero pueda transmitir para que el bit perfore la roca?. Una barra de perforación con un diámetro de 38 mm tiene un área de aproximadamente 975 mm2 y con una tensión de 25 kg/mm2, la onda de choque en el acero nos da una fuerza de 25 x 975 = 24,500 kg. o 24.5 toneladas.

Atlas Copco Rock Drilling Tools Teoría Perforación Forma de la onda y potencia

Atlas Copco Rock Drilling Tools Teoría Perforación Eficacia y pérdidas La onda pierde algo de su energía, 6 a10 % por cada acoplamiento en su tren a lo largo del taladro. Esta pérdida es debido en parte a la diferencia entre el área de la barra y camisa, en parte al hecho que las caras de la barra y copla nunca son de perfecto ajuste entre ellas. El contacto más pobre da mayor pérdida de energía. Cuando la onda de choque alcanza por último el bit, su fuerza se descarga contra la piedra. La eficiencia al momento nunca alcanza el 100 %. Algo de la energía es reflejada y regresa en forma de pulso tensor. El contacto más pobre entre el bit y la roca dará menos eficiencia.

Atlas Copco Rock Drilling Tools Teoría Perforación Desarrollo de la Perforadora El desarrollo de la perforadora ha sido muy rápido desde el descubrimiento del principio hidráulico en los años setenta, y no va a ser lento en el futuro. Hidráulica hace posible estas cosas. Si nosotros estudiamos el funcionamiento de un barreno de 25 metros, cuántas ondas de choque nosotros podemos calcular que atraviesan este tren de barras por segundo. Si la onda de choque viaja de 5,200 m/sec. Nosotros no queremos tener más que una onda de choque a la vez en cualquier momento lo que significa que el espacio entre las ondas de choque deben ser mayores que la longitud del ”paquete de perforación”. Si pusiéramos esta figura a 30 metros, significa que podemos tener una perforadora de percusión, eso en teoría golpeará el acero 5,200/30 ˜ 175 veces por seg. Una COP 1238 entrega 50 gpm., en teoría pudiéramos triplicar la frecuencia impacto sin aumentar la tensión del acero. Podemos manejar esto aumentando el flujo de aceite y significa que debemos aumentar la potencia de salida de motores y bombas. Aparte de esto no hay diferencias en principio. No obstante, el tema no significa estar libre de problemas como parece. Una muy rápida frecuencia de impacto acarrea otros problemas

Atlas Copco Rock Drilling Tools Teoría Perforación Desarrollo de la Perforadora

Atlas Copco Rock Drilling Tools Teoría Perforación Presión de percusión La presión de percusión que nosotros seleccionamos nos da la energía de percusión. Una presión de percusión más alta será la velocidad del pistón y en consecuencia más alta será la energía. Si estamos trabajando en una roca muy dura y el contacto bitroca es bueno, nosotros podemos utilizar energía al máximo de la onda de choque. Si nosotros no estamos en contacto con la roca y golpeamos con el bit ”en el aire” la energía no puede descargarse en el taladro; ésta invierte su dirección abajo en el bit y vuelve atrás por el acero, pero en lugar de una onda de presión nosotros conseguimos una onda de tensión de la misma potencia, es decir 24 toneladas. La onda de choque también puede ilustrarse esquemáticamente de la manera mostrada en la figura.

Atlas Copco Rock Drilling Tools Teoría Perforación Presión de percusión La potencia contenida en la onda de choque (Fs) es 24.5 toneladas para un acero de 38-mm , asumiendo utilización total del mecanismo de percusión en una COP 1238. La onda de choque es transportado a una velocidad VS de 5200 m/s. La fuerza contenida en el acero antes y después de la onda de choque es sólo la de la fuerza de avance FM que está alrededor de 1.0-1.5 toneladas. Sólo cuando la porción delantera de la onda de choque alcanza la frente del bit tiene una fuerza FS de 24.5 toneladas obtenida entre el bit y la roca y este es el momento que el bit comienza su penetración en la roca. La longitud de la onda de choque en una COP 1238 es aproximadamente 1200 mm.

Atlas Copco Rock Drilling Tools Teoría Perforación Presión de percusión En consecuencia, sólo con rocas suficientemente duras nosotros podemos utilizar la energía al máximo por golpe. Con rocas muy suaves la presión de percusión (energía percusión) tendrá que ser reducida, para que nosotros entreguemos la cantidad de energía justa que la roca pueda alojar se deberá reducir la energía reflejada en la forma de una onda de tensión en el cordón del taladro.

Atlas Copco Rock Drilling Tools Teoría Perforación Avance El avance siempre debe satisfacerse a la presión de percusión, una presión de percusión alta requiere una alto presión de avance y una presión de percusión baja requiere una presión de avance más baja. El propósito del avance es asegurar el contacto permanente del bit contra la roca, pero desde que el avance se aplica el conjunto de perforación todavía debe poder rodar. El avance normalmente estará alrededor de 500-1,500 kg, dependiendo de la perforadora que estemos usando.

Atlas Copco Rock Drilling Tools Teoría Perforación Rotación El propósito de rotación es hacer rodar la broca para un sitio apropiado para el próximo golpe. para los bit de botones recomendamos que la periferia del bit deba se volteado aproximadamente 10 mm después de cada golpe. Para tomar un ejemplo, un bit de 76mm tiene una circunferencia de 76 x 3.14 = 240 mm, y si lo queremos girar 10 mm para cada golpe de la perforadora este bit tendría que ser movido 240/10 = 24 veces por revolución. Si la frecuencia de impacto es 3,000 gpm. (COP 1238) esto dará 3,000/24 = 125 rpm como la proporción. rotación Si la frecuencia de impacto es 1,800 gpm. (típico para una máquina neumática), sería 1,800/24 = 75 rpm. Esta claro que la proporción de rotación debe aumentarse para una frecuencia impacto más alta y para una dimensión del bit reducida.

Atlas Copco Rock Drilling Tools Teoría Perforación Rotación Se muestra en la forma de un gráfico cómo la rpm de perforación cambian con respecto al tamaño del bit. El gráfico es válido para una máquina hidráulica que opera a aproximadamente 3,000 gpm

Rango de penetración (ppm) relación a las revoluciones (rpm)

en

Atlas Copco Rock Drilling Tools Teoría Perforación Barrido Como la potencia de salida de las perforadoras ha aumentado y acompañado por eficaz aumento en proporción de penetración. El barrido se pone más significante. El medio de barrido es normalmente el aire en equipos de superficie y agua en subterráneos. ¿Qué esperamos del barrido? 1. Limpie el fondo del agujero para el próximo golpe. 2. Transporte el detritus fuera del agujero. Lo que depende de: 1. Gravedad específica: La gravedad específica más alta requiere un barrido más alto velocidad (aire barrido). 2. El tamaño de la partícula: Las partículas más grande obtenidas de la rotura de la roca, necesariamente requiere más velocidad alta de barrido. 3. La forma de la partícula: Las partículas equiláteras necesitan mayor velocidad de barrido. Para ilustrar esto, es fácil de llevar lejos una partícula en la forma de una hoja que una del mismo peso que con forma esférica.

Atlas Copco Rock Drilling Tools Teoría Perforación Barrido de aire La velocidad del aire en el taladro-agujero para una roca normal con una densidad de 2.0 ton/m3 debe ser por lo menos 10 m/seg. Puede reducirse si la densidad es más baja, y se debe aumentar si es más alta. Por ejemplo, una mina de hierro con una densidad de 4 ton/m3 necesita una velocidad de barrido de 25-30 m/seg.

en el agujero del taladro

Atlas Copco Rock Drilling Tools Teoría Perforación Barrido de aire El volumen de aire necesario puede calcularse, si sabemos el diámetro del bit y el diámetro de la barra para el barreno a realizar. Por ejemplo, si nosotros usamos barras R38 y Bit de 76 mm el área anular entre el acero del taladro y la pared del agujero será:

Atlas Copco Rock Drilling Tools Teoría Perforación Barrido de agua Como el agua tiene considerablemente una mejor capacidad de levantamiento que el aire, es suficiente tener una velocidad de 0.5 mtr/seg. en el área anular, una velocidad considerablemente baja en relación al aire. Al perforar tiros largos ascendentes tenemos que tener en cuenta que tendremos una presión de carga de 1 bar por cada 10 metros, y esta presión de carga tiene que ser superada.