Download Perforacion rotativa por corte

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Capítulo 6
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PERFORACION ROTATIVA POR CORTE
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1. INTRODUCCION
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La perforación rotativa por corte tuvo su máximo
desarrollo en la década de los años 40 en las minas
americanas de carbón para el barrenado del recubrimiento y del propio mineral. Con la aplicación cre-
./
~1
./
fld
./
I
a) BOCAS
BILABIALES
./
ciente en cielo abierto de los equipos rotativos con
tricono, este método ha quedado limitado al campo de
las rocas blandas con diámetros generalmente pequeños o medios, en clara competencia con los sistemas
de arranque directo. En trabajos subterráneos ha sido
la perforación rotopercutiva la que ha relegado a los
equipos rotativos a las rocas de dureza baja a media y
poco abrasivas, potasas, carbón, etc.
La perforación por corte en los barrenos de producción se realiza con bocas cuya estructura dispone de
elementos de carburo de .tungsteno u otros materiales
como los diamantes sintéticos policristalinos, que varían en su forma y ángulo, pudiéndose distinguir los
siguientes tipos:
a) Bocas bilabiales o de tenedor, en diámetros de 36 a
50 mm.
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b) Bocas trialetas o multialetas, en diámetros de 50 a
115 mm.
c) Bocas de labios reemplazables, con elementos
escariadores y perfil de corte escalonado en diámetros desde 150 mm hasta 400 mm.
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./
b) BOCAS
TRIALETAS
y
MULTIPLES
./
2. FUNDAMENTO DE LA PERFORACION POR
CORTE
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Las acciones de una boca de corte sobre la roca son,
según Fish, las siguientes:
./
1.
Deformaciones elásticas por las tensiones debidas
a la deflexión angular de la boca y torsión a la que
se somete a la misma.
./
2.
Liberación de las tensiones de deformación, con
un impacto subsiguiente
del elemento de corte
sobre la superficie de la roca y conminución de
ésta.
3.
Incremento de tensiones en la zona de contacto
boca-roca con desprendimiento
de uno o varios
fragmentos que una vez evacuados permiten reiniciar el nuevo ciclo. Fig. 6.2.
./
~
./
e)
BOCA
ESCARIADORA
Figura 6.1. Tipos de bocas para perforación por corte.
103
'Las experiencias
realizadas
por Fairhurst (1964)
demuestran que. el empuje y el par de rotación sobre
la boca sufren grandes variaciones debido a la naturaleza discontinua de formación de los detritus. Fig. 6.3.
La fuerza tangencial es la que vence el esfuerzo
resistente de la roca frente a la rotación de la boca. El
par «T,», medido en el eje del elemento de perforación,
es el producto de la fuerza tangencial por el radio de la
boca. El par resistente sobre el área total.de
corte,
suponiendo
que sea una corona circular, viene dado
por:
3
2
T=,
J.!
3
xErO-r¡2
ro
"-
,
3
-
2
r1
\...
---(o)
donde:
'T,
J.!
E
ro
(b)
=
=
=
Par resistente.
Coeficiente de fricción de la roca.
Empuje sobre la boca.
Radio exterior de la boca.
r 1 = Radio interior de la boca.
Este par resistente
es determinado
por el mínimo
par de la perforadora
que permite penetrar la roca.
Denominando
«re» al radio efectivo de la boca, que
se hace igual a
(e)
r
Figura
Secuencia de corte (Fish y Barker, 1956).
6.2.
'-.
=
2
rO3-r¡3
3
rO2-r¡2
-x
e
,
"
,
'-..
N
667
-
1b
150
n-
EMPUJE
ARENISCA
VELOCIDAD
PAR DE ROTACION
DARLEY DALE
DE CORTE 229 mmJmln
la ecuación
anterior
se transforma
T,
445
<!
N
O::
W
::>
U-
222
100
50
o
025
1
6
1
O
0,5
I
12 5
DISTANCIA
Figura 6.3.
'o 75
I
19
DE
Curvas de Desplazamiento
de corte.
10
I
25
1 25 In
I
30 mm
CORTE
J.!
x E x re.
Se deduce que si «J.!»es constante, el par es proporcional
al empuje que se ejerce sobre el útil de
corte. En la realidad, el coeficiente
«J.1»no es constante, ya que varía con el espesor de corte y con el
propio empuje.
El índice que determina la penetración en la roca
se obtiene por la relación entre la energía consumida
por la perforadora y la energía específica de la roca.
La energía
total
consumida
por el equipo
es
«2¡¡N,T,», siendo «N,» la velocidad de rotación, por lo
que se obtendrá:
vp
- Fuerza de una boca
=
2 x
¡¡
x N, x T,
Ev x A,
""
=
en
-
¡¡ x J.! x E x N,x
'-.
,
'-.
,
re
Ev x A,
,
donde:
La fuerza de corte es fu nción de la geoni'1;tría de la
boca, la resistencia
de la roca y la profundidad
de
corte. Esta fuerza se descompone en dos: una tangencial «N,» y otra vertical «E», Fig. 6.4.
ZJE
N,
SUPERfiCIE
NUEVA
- -------------
Figura 6.4. Fuerzas que actúan sobre el útil de corte.
104
- Energía específica de la roca.
,-:- Area de la sección transversal
'del barreno.
De esta relación se deduce que la velocidad de penetración para una roca dada y para un diámetro de
perforación determinado es linealmente proporcional
DETRITUS
SUPERFICIE ANTIGUA
Ev
A,
al empuje y a la velocidad de rotación, aunque en la
práctica no es totalmente
cierto, ya que como se ha
indicado el coeficiente de fricción de la roca varía con
el empuje. En la Fig. 6.5 se observa que existe un valor
de empuje por debajo del cual no se consigue la velocidad de penetración teórica, sino un desgaste excesivo, y un valor límite que si se supera produce el
agarrotamiento
de la boca.
,
'
'-.
'-
./
PE RFORACION
ROTATIVA
1 O INYECTORDE AIRE (ABRASIVIDAD (D,3)
.
./
o
<!
O
J
>
(/)
<!
Q::
CD
<!
J
I INYECTOR
ZONA
DE
PERFORACION
ROTATIVA
CON
ROTATIVA
(VARILLA
HELICOIDAL)
,
DE AGUA (ABRAS IVI DAD )0,3)'
0.9
@
0.8
2,5 m./m,n.
0,7
0.6
W
O
<!
J
<!
(.)
./
0.5
0.4
(J)
W
J
0.3
0.2
J
0.1
o
./
ESCALA
../
DE DUREZA O PERFORABILlDAD
Figura 6.6. Clasificación de las rocas según su perforabilidad y abrasividad (Eimco-Secoma).
../
y = 0° a 2°
Zona I
../
./
./
Perforación
.
.
.
800 - 1.100 r/min.
de rotación:
Perforación
.
Tipos de roca: carbón, patas a, sal, yeso y fosfato
blando.
.
Utiles:
-
rJ. =
11 0°
~
125°
~ = 75°
Y = 0°
Yelocidades
.
Con aire húmedo las velocidades de peKétración
se multiplican
de penetración
por 1,5 y 2.
m/min.
../
.
Tipos de roca: caliza y bauxitas
de hierro blandos.
-
80°
de agua.
.
Tipos de roca: bauxitas y calizas medias, esquistos
sin cuarcitas, yesos duros y fosfatos duros.
.
Bocas de corte:
rJ. = 125°
-
140°
~=
80°
Y = -2° a 6°
"
.
blandas,
minerales
Velocidades
D = Diámetro
N, = Velocidad
E
75
con inyección
de penetración:
1 a 1,8 m/min.
9 X D2 X N, X E2
donde:
Perforación con inyección de aire húmedo.
~=
Perforación
HP, = 8,55 x 10 -
.
rJ. = 125°
12 a 18 kN.
La potencia de rotación, en Hp, necesaria para hacer girar un trépano se calcula con la fórmula siguiente:
11
Bocas de corte:
Empuje:
= 3,5 a 5 m/min.
. Empuje: 8 a 12 kN,
. Velocidad de rotación: 550 a 800 r/min,
J
2 a 3,5
Velocidad de rotación: 300 a 550 r/min,
.
14°
.
.
.
.
.
Barrenas espirales.
Bocas bilabiales.
Zona
J
de penetración:
Zona 111
en seco.
../
./
Velocidad
empuje.
Empuje: 1 a 8 kN.
Velocidad
./
./
.
con poco
rotativa
~
J
=
(mm).
de rotación
(r/min).
Empuje (kN).
El par de rotación necesario se determina a partir
de la expresión:
105
HP251,14
N,
T, =
donde:
T, = Par de rotación
3.
-
Facilita la evacuación
locidad de avance.
-
Refrigera las bocas de perforación
desgastes.
-
Evita el col matado
-
Elimina el polvo, lo cual es importante
abrasivos.
¡ ~n_~
.IE--~
0 .~
la ve-
y disminuye
los
del barreno.
;
aire y por cada perforadora unos 250 cm j/min de agua.
En rocas muy blandas de 30 a 40 MPa puede emplearse varillaje helicoidal, de paso mayor cuanto más
grande sea la velocidad de penetración,
para evacuar
el detrito,
Fig. 6.7.
!
:
m_-
:
en terrenos
Según Eimco-Secoma
para la inyección de aire húmedo se necesita del orden de 1.000 a 1.500 I/min de
El detrito de perforación se elimina con un fluido de
barrido que puede ser aire, en los trabajos a cielo
abierto, agua o aire húmedo en los trabajos de interior.
Las ventajas que reporta el empleo de aire con
inyección de agua son las siguientes:
T:
y aumenta
(kN.m).
EVACUACION DEL DETRITO
~
de detritus
;- c:=J¡J-
~.
¡ 1
~_m~-'
~
>-,
Fig. 6.7.
Varilla helícoidal y bocas de perforación
En la Tabla 6.2 se indican, además de las velocidades típicas de penetración en diferentes tipos de rocas.
el sistema de barrido que se emplea comúnmente en la
perforación de barrenos.
con distintas configuraciones.
Como puede observarse, para velocidades de penetración por debajo de 3 m/min el flui.do del barrido suele
ser el agua, mientras que por encima de esa velocidad
se realiza en seco o con aire húmedo.
TABLA 6.2.
VELOCIDAD
TIPO DE ROCA
DE PENETRACION
SISTEMA DE BARRIDO
(m/min)
.
Yeso duro
1,5 - 2
Caliza, bauxita
Pizarra
1,5
Mineral de hierro blando
'"
Yeso blando
.<1'
Fosfato, carbón, sal, potasa
4.
Agua
- 2,5
Agua
1,5 - 3
3-8
Agua o en seco
Aire húmedo o en seco
3,5 - 6
Aire húmedo o en seco
3:5
Aire húmedo o en seco
- 10
UTILES DE CORTE
La eficiencia de corte de un útil depende en gran
medida del diseño del mismo, de acuerdo con el tipo de
roca que se desea perforar. Fig. 6.8.
El ángulo de ataque
"Cl»
varía generalmente entre
110° y 140°, siendo tanto más obtuso cuanto más dura
es la roca a perforar, pues de lo contrario se produciría el astillamiento
del metal duro. En ocasiones se
llega a diseños
El ángulo
106
con contornos
del labio de corte
80° Y el ángulo de corte «y» entre -6° y 14°, siendo
positivo en rocas blandas y negativo en rocas duras.
Por último, el ángulo de desahogovale 8 = 90° - ~.
= y.
Un punto de la boca de corte situado a una distancia "r», describe una hélice cuyo ángulo es:
redondeados.
«~» varía entre 75° y
úJ = arctg
( ---E2rcr )
/
z
O
()
<!
cr:
1w
z
W
el.
W
o
/
/
/
Se obtiene una curva de penetración-tiempo, y a
partir de ésta el índice de perforabilidad o du reza expresadaen 1/10 mm de avancey midiendo el desgaste
sufrido por el útil calibrado durante 30 segundos se
determina la abrasividad en décimas de mm de desgaste del borde.
Las rocas se clasifican, en función de los dos parámetros, en cuatro grupos o zonas que permiten definir
los métodos de perforación más adecuados. Fig. 6.6.
--"7-rLIMITE POR
AGARROTAMIENTO
DE LA BOCA
o
<!
o
Zona I
()
O
/
J
W
PERDIDA DE LlNEALlDAD
DEBIDA A UN DESGASTE
EXCESIVO DE LA ROCA
>
Zona de dureza muy débil y de poca abrasividad.
Dominio de la perforación rotativa en seco, presión
pequeña.
.
/
EMPUJE
/
APLICADO
Figura 6.5. Relación entre el empuje y la velocidad de penetración (Fish y Baker, 1956).
'.
Zona
11
Zona de dureza débil y poca abrasividad. Dominio de
rotativa en seco, o con inyección de aire
a presió.n media.
/
la perforación
La velocidad de rotación está limitada por el creciente desgaste que sufren las bocas al aumentar el
/
número de revoluciones. Además de la propia abrasividad de las rocas, es necesario tener en cuenta que los
./
desga,stes aumentan conforme se aplica un empuje
mayor y las fuerzas de rozamiento entre la roca y la
boca se hacen más grandes.
En la Tabla 6.1 se dan los empujes y velocidades de
rotación recomendados en función del diámetro de los
barrenos y resistencia a compresión de la roca.
Como límites prácticos de la perforación rotativa
pueden fijarse dos: la resistencia a la compresión de
/
/
./
./
Zona
111
Zona de dureza media y poca abrasividad. Dominio
de la perforación
rotativa, empujes grandes
con inyección de agua a alta presión.
El empuje
sobre la barrena
puede llegar hasta 20 kN.
las rocas, que debe ser menor de 80 MPa, y el contenido en sílice, que debe ser inferior al 8%, pues de lo
contrario los desgastes serán antieconómicos.
Eimco-Secoma
ha desarrollado
un ensayo para medir la perforabilidad
y abrasividad de las rocas. Con-
Zona IV
siste en efectuar sobre una muestra de roca un taladro
con un empuje y una velocidad de rotación constantes,
la boca es de carburo de tungsteno y el barrido con
agua.
Los parámetros de perforación que corresponden
a
cada zona, para unos diámetros
de perforación
comprendidos entre 30 y 51 mm, son según Secoma los
siguientes:
Zona de gran dureza y alta abrasividad.
la roto-percusión
hidráulica.
Dominio
de
./
",.
./
TABLA 6.1
./
RESISTENCIA A
COMPRESION
(MPa)
EMPUJE
UNITARIO
(/mm)
DIAMETRO DEL
BARRENO
(mm)
VELOCIDAD DE
GIRO
< 30
30 - 50
< 140
140 - 210
> 50
> 210
< 50
> 75
<50
> 75
<50
> 75
> 800
> 100
600 - 800
70 - 100
< 600
< 70
(r/min)
./
./
../
,
107
/
siendo «p» el avance de la boca en cada giro completo.
ROTACION
DE BOCA
fi{
Los diamantes actuales son estables térmicamente
hasta los 1200 DCen ambientes no oxidantes y están
disponibles en tamaños desde los 0,005 hasta 0,18 g
(0,025 a 0,9 quilates) con formas de prismas triangulares, paralelepípedos y cilindros.
--l\
°1
ORrFICIO PARA
-BARRIDO
CON
AIRE O AGUA
4 ORIFICIOS
DE BARRIDO
r
5° ANGULODE CORTE
~
X7
~I
DIAMETRO
76 mm
7 PLAQUIT AS
DE DIAMANTES
CANALES DE
EVACUACION
DEL DETRITOS
-
(o)
Figura
6.8. Anguloscaracterísticosde un útilde corte(Fishy
PROTECCION
DE CARBURO
DE TUNGSTENO
O DIAMANTES
Barker, 1956).
SECCIONx-x
Fig. 6.10. Boca de perforación
con plaquitas
de diamante.
Además de utilizarse en trabajos de exploración en
sondeos, las bocas de diamantes se usan en minería
subterránea de carbón, potasa, sales y yesos para perforar barrenos de pequeño diámetro, en el rango de 35
mm a 110 mm.
En muchos casos las velocidades de penetración
obtenidas y las vidas de estas bocas son bastante
superiores a las convencionales.
Fig.6.9.
Trayectoriade un punto de la boca (Fairhurst,1964).
Debido al movimiento de la boca a lo largo de la
hélice el ángulo de desahogo efectivo es menor:
¡;=6-OO
En puntos próximos al centro de la b5ca ese ángulo efectivo es cero, ya que en esas zonas el útil
comprime a la roca, de ahí que en la mayoría de los
diseños exista un espacio libre en la parte central
que permite conseguir mayores velocidades.
A finales de los años 70 la General Electric fabricó
los primeros «Diamantes Compactos PolicristalinosPDC», obtenidos a partir de una masa de partfculas
muy finas de diamante sinterizadas bajo presiones
extremas, y en forma de plaquitas que se montan sobre
unas bases de carburo de tungsteno cementado formadas a altas presiones y temperaturas. El material compuesto resultante posee una resistencia a la abrasión
excepcional con una alta resistencia del carburo de
tungsteno a los impactos.
108
Foto1.
Equipo de perforación rotativa con varillaje helicoidal
en una mina de potasa.
BIBLlOGRAFIA
-
ATKINS, B. C.: «Drilling Application Successes Using
Stratapax Blank Bits in Mining and Construction». Australian Drilling Association Symposium, 1982.
BERNAOLA, J.: «Perforación Rotativa». II Seminario de
Ingenieria de Arranque de Rocas con Eiplosivos en Proyectos Subterráneos.
Fundación Gómez-Pardo,
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ISeminario de Ingeniería de Arranque de Rocas con Explosivos en Proyectos Subterráneos.
Fundación Gómez-Pardo,
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'"
109