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• Reyner Trelles Morán

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UNIVERSIDAD NACIONAL DE PIURA FACULTAD DE INGENIERIA DE MINAS

ASIGNATURA : MAQUINARIA Y TRANSPORTE MINERO DOCENTE : ING. OSCAR A. UBILLUS RODRIGUEZ

PRIMERA UNIDAD : INTRODUCCION El sector minero sigue siendo el motor del desarrollo de varías economías en el mundo. Es un sector millonario en inversiones y con la mirada puesta en el largo plazo. La actividad minera requiere de largos procesos y etapas, y por eso los distintos cambios en la economía pueden terminar golpeando sus proyecciones iniciales. Frente a la caída de precios de los minerales que explotan, las empresas del sector intentan encontrar la forma de ser más eficientes en sus gastos, de mejorar su margen operativo y el rendimiento de su capital. Es la manera de que sus operaciones actuales o sus proyectos de exploración y desarrollo sean sostenibles. 1.1

Generalidades

Maquinaria y transporte en minería, se define así a todos los equipos móviles empleados para cargar y transportar, distintos tipos de materiales. Una vez realizadas las operaciones unitarias principales como la perforación y voladura, es necesario que el material resultante (mineral y estéril) sea cargado y depositado en equipos e transporte para ser llevado hacia la planta de procesamiento minero o botadero. La gestión de carga, están enfocados en la disposición de maquinaria pesada que realice el movimiento de tierra y transporte desde el frente de explotación hacia la planta de concentrado de mineral, posteriormente hacia un sitio de acopio y, finalmente, trasladarlo al puerto y proceder con la exportación, punto final de la cadena logística. 1.2

Definición

La maquinaria y transporte minero, son las herramientas y acciones que definen una de las principales operaciones en una faena minera, por lo que, son los responsables del movimiento del mineral o estéril que ha sido fragmentado en un proceso de voladura. 1.3 -

Clasificación de los equipos usados en las operaciones mineras. Equipos de carga. En función del material generado durante las operaciones de voladura. La carga se realiza con cargadoras de pluma giratoria, pluma articulada o de ataque frontal. Las cargadoras de pluma giratoria o articulada pueden ir montadas sobre transportes sobre ruedas u orugas. Las cargadoras de ataque frontal suelen llevar horquillas o una grapa y van montadas sobre tractores de orugas o tractores articulados con tracción a las cuatro ruedas

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Equipos de corte y nivelación. Se entiende como corte a los trabajos de excavación del terreno natural, bien sea con una máquina, mediante el empleo de explosivos o trabajo a mano, que tienen el fin de lograr cotas y secciones transversales establecidas o exigidas en el proyecto. En simples palabras la intervención del suelo para modificarlo según la conveniencia. Donde las maquinas que realizan el movimiento de tierra son los equipos de corte:

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Equipos de transporte de material. Los equipos de transporte son maquinaria autopropulsada sobre neumáticos, en las que se carga el material para lo transporten y descarguen en el lugar de almacén o planta que corresponda o en un botadero. Los equipos de transporte pueden ser intraviales o extraviales, dependiendo de si, por su peso o dimensiones, están autorizados para circular por la vía pública. La elección de equipos extraviales está sujeta a la posibilidad de circulación por la obra y acceso a los tajos correspondientes. Los principales vehículos utilizados son los camionesvolquete, los remolques basculantes, los dumpers, y los tractovagones.

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Equipos de perforación. Son herramientas formadas por un mecanismo apropiado para producir los efectos de percusión o rotación de la barrena que normalmente va provista de una broca en su extremo de ataque.

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Equipos de izaje. Usado por lo general en un yacimiento minero donde el acceso a la mina no es posible por socavones de cortada o túneles; cuando se quiere profundizar una mina en plena operación o se quiere extraer mineral o desmonte; cuando se quiere introducir materiales, maquinarias y el mismo personal; y no se tiene socavones principales, se recurre a la utilización de infraestructura y maquinaria de izaje. La variedad de maquinarias de izaje, potencia del motor y necesidad de las operaciones, hacen la selección y elección del tamaño de los sistemas de izaje. Esta elección, facilita que una gran, mediana y pequeña minería y minería artesanal decidan por las soluciones de los problemas de transporte vertical. Lo importante es que, se evita el sobreesfuerzo humano, al utilizar estas maquinarias; que permiten mejorar la productividad y la velocidad de extracción vertical o inclinada.

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SEGUNDA UNIDAD : EQUIPOS USADOS EN MINERIA SUBTERRANEA 2.1 TRANSPORTE SOBRE RIELES

En el siglo XVIII, los trabajadores de diversas zonas mineras de Europa descubrieron que las vagonetas cargadas se desplazaban con más facilidad si las ruedas giraban guiadas por un carril hecho con planchas de metal, ya que de esa forma se reducía la fricción. Los carriles para las vagonetas sólo servían para trasladar los productos hasta la vía fluvial más cercana, que por entonces era la principal forma de transporte de grandes volúmenes. El inicio de la Revolución Industrial, en la Europa de principios del siglo XIX, exigía formas más eficaces de llevar las materias primas hasta las nuevas fábricas y trasladar desde éstas los productos terminados. Transcurrieron dos décadas durante las cuales se desarrollaron los rieles de hierro fundido que soportaban el peso de una locomotora de vapor. La potencia necesaria para arrastrar trenes, en lugar de uno o dos vagones, se aseguró colocando una locomotora de vapor sobre dos o más ejes con las ruedas unidas mediante bielas. Transporte sobre rieles es la aplicación del conocido transporte ferroviario que se usa en superfi cie a las operaciones mineras subterráneas con algunas modificaciones particularmente en las dimensiones de los equipos y maquinarias empleadas así como la energía que se usa para accionarlas. Básicamente está constituido por la vía, vagonetas mineras y las locomotoras. La aplicación principal del transporte sobre rieles es llevar la mena (mineral) de los lugares de producción al punto de recolección como echaderos o tolvas de la chancadora, también se utiliza para el movimiento de personal y materiales. 2.2

LOCOMOTORAS

Se denomina así a cualquier tipo de vehículo autopropulsado utilizado en vías férreas o ferrocarriles para impulsar o arrastrar otros tipos de unidades rodantes.

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En estos últimos años, el uso de locomotoras mineras se ha intensificado, hoy en día se cuenta con modelos de locomotoras con motor diesel y motor eléctrico tanto a batería como en sistema trolley desde 2TM hasta 20TM de peso adherente. La fabricación de estos equipos se realiza bajo un estricto control de calidad. Las proveedoras cuentan con un área de ingeniería mecánico y eléctrico y una planta de ensamblaje muy bien implementados. Asimismo, entre los últimos desarrollos se encuentran locomotoras de 15 y 20 toneladas métricas de peso adherente para acarreo de minerales de hasta 200 TM por viaje en túneles de extracción principal.

Pueden ser Eléctricas o Diésel, sin embargo esta última es la más utilizadas para el traslado de cargas puesto que no están expuestas a la falla del suministro eléctrico. Las locomotoras diésel evitan los riesgos eléctricos pero contaminan el ambiente con gases de la combustión y crean riesgos de incendios, por lo que es necesario una ventilación y planes de prevención de incendios y contingencia

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LOCOMOTORAS ELÉCTRICAS

Las locomotoras eléctricas requieren la instalación de cables eléctricos de alimentación a lo largo de todo el recorrido, que se sitúan a una altura por encima de los trenes a fin de evitar accidentes. Esta instalación se conoce como catenaria, debido a la forma que adopta el cable del que cuelga el cable electrificado, que debe permanecer paralelo a las vías. Las locomotoras toman la electricidad por un trolley, que la mayoría de las veces tiene forma de pantógrafo y como tal se conoce. 2.2.2 2.3

DISPOSITIVOS ELÉCTRICOS DE UNA LOCOMOTORA Dos Motores de Corrientes continua Un Controlador de marcha hacia delante y hacia atrás Dos Faros y un Interruptor Una Bocina (Corneta) Un Contacto Móvil Resistencia

LOCOMOTORAS A BATERIA

En las minas, frecuentemente se usan las locomotoras de baterías para una mayor facilidad o en operaciones no permanentes Para calcular la capacidad de las baterías, se requiere conocer las condiciones de trabajo y el perfil de la via. Una manera de determinar la capacidad de las baterías es convertir el trabajo pies-libra a Kilowatts/hora de un viaje de ida y vuelta, luego se multiplica por el número de viajes para obtener la capacidad.

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2.3.1

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SELECCIÓN DE BATERIA

En las minas, comúnmente se usan baterías de plomo-acido, por el menor volumen que ocupan, y el voltaje de las celdas es generalmente 2 volts. Una batería que se usa durante 6 horas requiere un recargado de 8 horas. Los lugares de carguío de baterías deben estar muy ventilados para evitar la acumulación del gas de hidrogeno que es explosivo.

2.4

LOCOMOTORAS A TROLLEY

Las locomotoras mineras a trolley de la serie "EE", están destinadas para el transporte horizontal sobre rieles, especialmente en minas con medio húmedo y polvoriento sin riesgo de explosión de los polvos de carbón y gases metano. Es capaz de desplazarse por carriles con pendiente superable de hasta 35‰ (2°) y a temperaturas desde - 10 hasta + 35°C.

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Las locomotora de la serie "EE" están impulsadas por dos motores eléctricos trifásicos asíncronos con enfriamiento autónomo y con variación de revoluciones por convertidor de frecuencias, el cual facilita una marcha constante, así como también un frenado efectivo, garantizado por dos sistemas de frenos independientes para ambos puentes, el freno electrodinámico -con los motores eléctricos y cajas de velocidades, y los frenos mecánicos de dos circuitos directamente en las ruedas

2.5

CARROS MINEROS

El diseño de los carros mineros ha evolucionado de simples cajones a carros con sofisticados mecanismos de descarga. En las minas pequeñas, se usan carros de descarga lateral

2.5.1 CARROS SEGÚN EL TIPO DE DESCARGA 2.5.1.1 Carros de descarga por el fondo. Para una operación eficiente y rápida se han diseñado estos carros con una capacidad de carga de 15 a 30 toneladas. Este tipo de carros, con una tolva adecuada, permite el vaciado continuo.

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2.5.1.2 Carros tipo Granby. Es te tipo de carros es de uso frecuente en minas de niveles múltiples para mover grandes tonelajes. Requiere de instalaciones mecánicas para vaciar los carros.

2.5.1.3 Carros de propósitos especiales. Es las minas se trasladan a personas y se mueven materiales tales como: madera, explosivos, maquinarias, repuestos y otros. Para ser eficientes y seguros en el manejo de personas y materiales, se usan carros de diseño especial adecuados a la operación 2.6

LA VÍA FERROVIARIA. Esta está constituida por la infraestructura y la superestructura. 2.6.1

Infraestructura.

Está constituido por el piso de la galería sobre la que se instala a los durmientes y el riel. 2.6.2

Superestructura.

Está conformada por los carriles que son construidos del acero de alta resistencia cuya forma se caracteriza por una relación favorable del momento de resistencia a la flexión de la sección y de la superficie. 2.6.3

Componentes

a. TROCHA La trocha varía de acuerdo a la mina y las condiciones de la misma. En las minas metálicas, las locomotoras son menos anchas y más altas que en las carboníferas.

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En general, en las minas metálicas las trochas varían de 18 a 36 pulgadas. Otros factores que determinan las trochas son la capacidad y peso de las locomotoras

b. RUEDAS DE LOCOMOTORA Las dimensiones de las ruedas varían de acuerdo al peso de la locomotora, luz del piso a la locomotora y velocidad de la misma. Ver la tabla 4.1

c. RIELES. Tiene tres partes la cabeza, el alma y el patín. Los rieles se clasifican por el peso en libras en una yarda lineal.

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Rieles de 30 libras yarda: transporte mecanizado en galerías con equipo pequeño. Rieles de 40 libras yarda: transporte mecanizado en galerías con equipo medio. Rieles de 60 libras yarda: transporte en galerías principales de transporte. d. DURMIENTES. Los durmientes de 4 X 6 pulgadas de sección pueden ser forzados colocando durmientes de acero entre durmientes de madera. Los durmientes de 5 X 7 pulgadas presentan un buen servicio sin necesidad de refuerzos en casi todas las condiciones. Se recomiendan los durmientes de 6 X 8para rieles pesados, gradiente alta, curvas cerradas, locomotoras pesadas y alto tráfico. La longitud de los durmientes, preferentemente, debe ser el doble de la trocha o al menos la trocha más de 24 pulgadas. La altura de la sección del durmiente será por lo menos, ¼ de pulgada más larga que la longitud del clavo y el ancho del durmiente debe ser no menos de 1 3/8 pulgadas más largo que la longitud del clavo. El espaciamiento de centro de los durmientes, generalmente, es de 24 pulgadas y en las partes de alto tráfico, 16 pulgadas. Ver la tabla 4.3

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Los clavos se miden debajo de la cabeza al extremo o punta, es decir solamente el pin, y la sección es cuadrado.

e. CURVAS. Las curvas en la minas, son cortas y se miden en radios. Los trenes ruedan más suavemente en rieles con radios de curvatura mayor que en aquellos de radios menores. Las curvas más frecuentes en las minas tienes 40, 50 o 60 pies de radio. La experiencia aconseja que la trocha debe ser incrementada 1/16 pulgadas por cada 2 ½ grados de curvatura. Ver la tabla 4.5

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2.6.4

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Peralte

Debido a la fuerza centrífuga, los trenes tienden a descarrilarse en las curvas, elevando el riel exterior de la curva, se contrapesa esta tendencia. En el Perú la velocidad máxima es de 10 km/ hora (9.113pies /segundo), aunque en las vías de extracción principales se permiten velocidades mayores.

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El peralte se halla aplicando la siguiente formula: E = T x V2/ 32.2 R Donde : E = Peralte, en pulgadas T = Trocha, en pulgadas V = Velocidad, en pies/segundo R = Radio de curva, en pies 2.6.5

Resistencia al Rodamiento de los Trenes

Las resistencias que se generan en los trenes sobre los rieles, pueden ser consideradas de las siguientes fuentes : - Resistencia a la carga rodante. - Resistencia al movimiento de la locomotora. - Resistencia a las curvas. - Resistencia a la gradiente. - Resistencia de la adherencia de las ruedas a la línea riel. - Resistencia a la aceleración y desaceleración.

2.6.5.1 RESISTENCIA A LA CARGA RODANTE: Esta resistencia depende de los cojinetes de los carros, condición de los rieles y en las minas varía del 1 a 2% de la carga bruta. En los cojinetes de rodamiento se considera de 20 libras por tonelada y en las bocinas de 30 libras por tonelada. 2.6.5.2 RESISTENCIA AL MOVIMIENTO DE LA LOCOMOTORA: Se considera 20 libras por tonelada de la locomotora. 2.6.5.3 RESISTENCIA A LAS CURVAS: Esta resistencia depende de la magnitud de la trocha en las curvas, ancho y diámetro de las ruedas, velocidad, radio de curvatura, número de carros en las curvas, etc. Se considera 0.5 a1 libra por tonelada por grado de curva de la parte del tren contenida en la curva. 2.6.5.4 RESISTENCIA A LA GRADIENTE: Para calcular la gradiente, se expresa en porcentaje en lugar de grados. Se considera 20 libras por cada ciento de gradiente. En la resistencia a la gradiente se debe considerar el peso total de los carros cargados y la locomotora. La legislación peruana permite un máximo de gradiente de 6 x 1000 (0.6%). 2.6.5.5 RESISTENCIA A LA ADHERENCIA DE LAS RUEDAS A LAS LÍNEAS DEL RIEL:

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Esta adherencia depende del material de la rueda y la condición de la línea riel. Por ejemplo, la adherencia será menor si la línea está mojada. Se estima en 20% para las de fierro fundido y 25% para las de acero, del peso de la locomotora. 2.6.5.6 RESISTENCIA A LA ACELERACIÓN Y DESACELERACIÓN: Generalmente, esta resistencia es despreciada. Para propósitos mineros, es suficiente considerar una aceleración de 0.146 a 0.292 pies/segundo^2 igual a 0.1 a 0.2 millas por hora por segundo, que equivale de 10 a 20 libras por tonelada de peso de la locomotora más los carros cargados. En las minas subterráneas, es suficiente considerar una desaceleración de 0.146 pies/segundo^2. Un tren que viaja a la velocidad de 9,113 pies/segundo (10 km/hora) para en: D = V2/ 2a Donde : D = Distancia en pies V = Velocidad en pies/segundo a = Desaceleración en pies/segundo2 2.6.6

FUERZA DE TRACCIÓN DE LA LOCOMOTORA

La fuerza de tracción teórica de una locomotora con ruedas de fierro fundido es de 20% y de acero 25% de su peso. Cuando se usa arena, estas fuerzas aumentan a 25 y 30% respectivamente. Esta fuerza debe ser por lo menos 15% mayor a la resistencia del tren. La fuerza de tracción se calcula con la siguiente formula. F = (L x Rt) + (W x Rt) Donde : Rt = Rr + 20G Hacia arriba Rt = Rr – 20G Hacia abajo 2.6.7

FUERZA DE FRENADO DE LA LOCOMOTORA

Esta fuerza se asume de 80 a 85% de la fuerza de tracción.

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Cuando se frena o para la locomotora, la gravedad ayuda con 20 libras por tonelada corta por cada por ciento de gradiente hacia abajo. También se puede calcular con las siguientes formulas: Fuerza de frenado hacia abajo: F = 2 000 AL + W (Rt –20G) –L (20G) Fuerza de frenado hacia arriba: F = 2 000 AL + W (Rr –20G) + L (20G) Donde : A = adherencia a nivel, expresado en decimales ruedas de fierro fundido = 0.20 ruedas de acero = 0.25 L = peso de la locomotora, toneladas cortas W = peso de la carga rodante (peso de carga + peso carros), toneladas cortas Rt = resistencia de los cojines de los carros, libras por tonelada corta Rr = resistencia de los cojines de a locomotora, libras por tonelada corta G = gradiente, por ciento 2.6.8

PESO DE LOS CARROS VACÍOS

Estos varían de 46 a 63% del peso neto de la carga 2.6.9

CICLOS DE TRANSPORTE

Estimar el tiempo de ciclo es difícil. Para hacer el ciclo más rápido se dispone de instalaciones y dispositivos tales como parrillas, martillos neumáticos o hidráulicos para romper las rocas mayores a la luz de las parillas, compuertas accionadas por pistones, tolvas, carros con tolvas traslapadas, mecanismos para vaciar, carros, locomotoras en tándem equipadas con controladores magnéticos o neumáticos para duplicar la fuerza de tracción y otros.

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2.6.10 DETERMINACIÓN DEL PESO LA LOCOMOTORA 1. Cuando se considera la aceleración: Una de las fórmulas de amplio uso para su determinación es la siguiente :

L = W (F + 20 G + 100 a) / (480 – 20 G – 100 a)

2. Sin considerar la aceleración: Una de las fórmulas de mayor uso para gradientes a nivel o hacia arriba es la siguiente:

L = W (F + 20G) / (2000 A – 20 – 20G)

Donde :

L = peso de la locomotora, toneladas cortas α = 0.1 a 0.2 mphps (millas por hora por segundo) = 0.146 a 0.292pies/segundo2 W = peso de la carga rodante, toneladas cortas G = gradiente, por ciento F = resistencia a la carga rodante en función de W, libras por tonelada corta A = adherencia a nivel, expresado en decimales ruedas de fierro fundido =0.20 rued as de acero = 0.25 Cuando se utiliza ruedas de acero en una locomotora a troley, la adherencia A es igual a 0.25 entonces se tiene: L = W (F + 20 G) / (480 – 20 G) EJEMPLO 1: Dadas las siguientes condiciones, seleccionar la locomotora a troley y carros para el transporte de mena de la mina a la concentradora: 1. La concentradora trata 2000 toneladas cortas/ dia, 7 dias a la semana. 2. Gradiente 6/1000 en descenso con carga = 0.6% 3. Distancia de la tolva de concentradora: 5000 pies 4. Turnos de trabajo de la locomotora: 2 de 8 horas cada uno, 6 dias a la semana 5. Carros provistos de rodamientos. 6. Las ruedas de la locomotora son de acero 7. La aceleración es de 0.1 mphps.

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DETERMINACION DE LA FUERZA DEL MOTOR Para calcular la fuerza requerida xse usan las siguientes fórmulas :

K = (H x 0.746) / e

H = (T x S) / (3.75 x 0.95)

Donde : K = kilowatts de suministro a la locomotora H = HP requerido 0.746 = Factor de conversión e = Eficiencia T = Fuerza de tracción de la locomotora (Lb) S = velocidad (millas por Hora) 375 = Factor de conversión de lb millas hora a HP 0.95 = Eficiencia e trasmisión de reducción simple

En el ejemplo : T = 4500 lbs S = 10 Km/hora = 6.214 millas/hora

H = (4500 x 6.214) / (375 x 0.95) = 78.5 HP Considerando una eficiencia de 0.90

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K = 78.5 x 0.746/0.90 = 65 Kwatts