06_Perforacion rotativa por corte

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Capítulo 6
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PERFORACION ROTATIVA POR CORTE
./
./ 1. INTRODUCCION
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 recubri-
miento y del propio mineral. Con la aplicación cre-
./
./
./
./
a) BOCAS BILABIALES
./
~1
fld
I
./
./
./
b) BOCAS TRIALETAS y MULTIPLES
./
./
./
./
./
e) BOCA ESCARIADORA
~
Figura 6.1. Tipos de bocas para perforación por corte.
./
ciente en cielo abierto de los equipos rotativos con
tricono, este método ha quedado limitado al campo de
las rocas blandas con diámetros generalmente peque-
ños 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 produc-
ción se realiza con bocas cuya estructura dispone de
elementos de carburo de .tungsteno u otros materiales
como los diamantes sintéticos policristalinos, que va-
rían en su forma y ángulo, pudiéndose distinguir los
siguientes tipos:
a) Bocas bilabiales o de tenedor, en diámetros de 36 a
50 mm.
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 diá-
metros desde 150 mm hasta 400 mm.
2. FUNDAMENTO DE LA PERFORACION POR
CORTE
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 reini-
ciar el nuevo ciclo. Fig. 6.2.
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 natu-
raleza discontinua de formación de los detritus. Fig. 6.3.
----
(o)
(b)
(e)
Figura 6.2. Secuencia de corte (Fish y Barker, 1956).
N
667
- EMPUJE
n- PAR DE ROTACION
ARENISCA DARLEY DALE
VELOCIDAD DE CORTE 229 mmJmln1b
150
445 100
<!
N
O::
W
::>
U- 222 50
Figura 6.3. Curvas de Desplazamiento - Fuerza de una boca
de corte.
""
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 tangen-
cial «N,» y otra vertical «E», Fig. 6.4.
DETRITUS
SUPERfiCIE NUEVA
N,
SUPERFICIE ANTIGUA ZJE
- -------------
Figura 6.4. Fuerzas que actúan sobre el útil de corte.
104
'-
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: ,
2 3 3
T=- xErO-r¡,
3 J.! 2 2ro - r 1 \...
donde:
T, = Par resistente.
J.! - Coeficiente de fricción de la roca.
E = Empuje sobre la boca.
ro = 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
,
"
2 rO3-r¡3
r = -x ,
e 3 rO2-r¡2
'-..
la ecuación anterior se transforma en
T, = J.! x E x re.
Se deduce que si «J.!»es constante, el par es pro-
porcional al empuje que se ejerce sobre el útil de '-..
corte. En la realidad, el coeficiente «J.1»no es cons-
tante, 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 = 2 x ¡¡ x N, x T, - ¡¡ x J.!x E x N,x re
Ev x A, Ev x A,
,
donde:
Ev - Energía específica de la roca.
A, ,-:- Area de la sección transversal del barreno.
'-
,
De esta relación se deduce que la velocidad de pe-
netración para una roca dada y para un diámetro de
perforación determinado es linealmente proporcional
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 velo-
cidad de penetración teórica, sino un desgaste exce-
sivo, y un valor límite que si se supera produce el
agarrotamiento de la boca.
'-
o 025 0,5 'o 75 10 125 In
1 1 I I I I
O 6 12 5 19 25 30 mm
DISTANCIA DE CORTE
./
./
PE RFORACION ROTATIVA CON
1 O INYECTORDE AIRE (ABRASIVIDAD (D,3) ,. I INYECTOR DE AGUA (ABRAS IVI DAD )0,3)'
ROTATIVA (VARILLA HELICOIDAL)
ZONA DE
PERFORACION
ROTATIVA
0.9
J
o
<!
O
>
(/)
<!
Q::
CD
<!
W
O
0.6
0.8
0,7
J
./
<!
J
<!
(.)
(J)
W
0.5
0.4
J
0.3
0.2
J 0.1
o
./
@
2,5 m./m,n.
ESCALA DE DUREZA O PERFORABILlDAD
Figura 6.6. Clasificación de las rocas según su perforabilidad y abrasividad (Eimco-Secoma).../
../
Zona I
J
Perforación rotativa con poco empuje.
. Empuje: 1 a 8 kN.
../
. Velocidad de rotación: 800 - 1.100 r/min.
. Perforación en seco.
./
. Tipos de roca: carbón, patas a, sal, yeso y fosfato
blando.
. Utiles:
- Barrenas espirales.
- Bocas bilabiales../
./
rJ. = 11 0° ~ 125°
~ = 75°
Y = 0° ~ 14°
. Yelocidades de penetración = 3,5 a 5 m/min.
. Con aire húmedo las velocidades de peKétración
se multiplican por 1,5 y 2.
./
../ Zona 11
../
. Empuje: 8 a 12 kN,
. Velocidad de rotación: 550 a 800 r/min,
. Perforación con inyección de aire húmedo.
. Tipos de roca: caliza y bauxitas blandas, minerales
de hierro blandos.
./
J
. Bocas de corte:
rJ.= 125°
~= 75 - 80°
J
y = 0° a 2°
. Velocidad de penetración: 2 a 3,5 m/min.
Zona 111
. Empuje: 12 a 18 kN.
. Velocidad de rotación: 300 a 550 r/min,
. Perforación con inyección 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°
" . Velocidades de penetración: 1 a 1,8 m/min.
La potencia de rotación, en Hp, necesaria para ha-
cer girar un trépano se calcula con la fórmula si-
guiente:
.
HP, = 8,55 x 10- 9 X D2 X N, X E2
donde:
D = Diámetro (mm).
N, = Velocidad de rotación (r/min).
E = Empuje (kN).
El par de rotación necesario se determina a partir
de la expresión:
105
T =, HP251,14
N,
donde:
T, = Par de rotación (kN.m).
3. EVACUACION DEL DETRITO
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:
~n_~
.IE--~ !
T: :0 .~ ; m_- ;- c:=J¡J-
: ¡ 1
~.
~_m~-'
~ ¡
~
>-,
- Facilita la evacuación de detritus y aumenta la ve-
locidad de avance.
- Refrigera las bocas de perforación y disminuye los
desgastes.
- Evita el col matado del barreno.
- Elimina el polvo, lo cual es importante en terrenos
abrasivos.
Según Eimco-Secoma para la inyección de aire hú-
medo se necesita del orden de 1.000 a 1.500 I/min de
aire y por cada perforadora unos 250 cm j/min de agua.
En rocas muy blandas de 30 a 40 MPa puede em-
plearse varillaje helicoidal, de paso mayor cuanto más
grande sea la velocidad de penetración, para evacuar
el detrito, Fig. 6.7.
Fig. 6.7. Varilla helícoidal y bocas de perforación con distintas configuraciones.
En la Tabla 6.2 se indican, además de las velocida-
des típicas de penetración en diferentes tipos de rocas.
el sistemade barrido que se emplea comúnmente en la
perforación de barrenos.
Como puede observarse, para velocidades de pene-
tración 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.
'"
4. 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 produ-
ciría el astillamiento del metal duro. En ocasiones se
llega a diseños con contornos redondeados.
El ángulo del labio de corte «~» varía entre 75° y
106
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 desahogovale8 = 90° - ~.
= y.
Un punto de la boca de corte situado a una distan-
cia "r», describe una hélice cuyo ángulo es:
úJ = arctg ( ---E- )2rcr
TIPO DE ROCA VELOCIDAD DE PENETRACION SISTEMA DE BARRIDO
(m/min)
.
Yeso duro 1,5 - 2 Agua
Caliza, bauxita 1,5 - 2,5 Agua
Pizarra 1,5 - 3 Agua o en seco
Mineral de hierro blando 3-8 Aire húmedo o en seco
Yeso blando 3,5 - 6 Aire húmedo o en seco
.<1'
Fosfato, carbón, sal, potasa 3:5 - 10 Aire húmedo o en seco
/
/ zO
()
<!
cr:
1-
w
z
W
el.
W
o
o
<!
o
()
O
J
W
>
PERDIDA DE LlNEALlDAD
DEBIDA A UN DESGASTE
EXCESIVO DE LA ROCA
--"7-r-
LIMITE POR
AGARROTAMIENTO
DE LA BOCA
/
/
/
/
EMPUJE APLICADO
/ Figura 6.5. Relación entre el empuje y la velocidad de pene-
tración (Fish y Baker, 1956).
'.
/
La velocidad de rotación está limitada por el cre-
/ ciente desgaste que sufren las bocas al aumentar el
número de revoluciones. Además de la propia abrasi-
vidad 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
las rocas, que debe ser menor de 80 MPa, y el conte-
nido en sílice, que debe ser inferior al 8%, pues de lo
./ contrario los desgastes serán antieconómicos.
Eimco-Secoma ha desarrollado un ensayo para me-
dir la perforabilidad y abrasividad de las rocas. Con-
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.
./
",.
./
./
./
./
../
/
Se obtiene una curva de penetración-tiempo, y a
partir de ésta el índice de perforabilidad o dureza ex-
presadaen 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 des-
gaste del borde.
Las rocas se clasifican, en función de los dos pará-
metros, en cuatro grupos o zonas que permiten definir
los métodos de perforación más adecuados. Fig. 6.6.
Zona I
Zona de dureza muy débil y de poca abrasividad.
Dominio de la perforación rotativa en seco, presión
pequeña. .
Zona 11
Zona de dureza débil y poca abrasividad. Dominio de
la perforación rotativa en seco, o con inyección de aire
a presió.n media.
Zona 111
Zona de dureza media y poca abrasividad. Dominio
de la perforación rotativa, empujes grandes con inyec-
ción de agua a alta presión. El empuje sobre la barrena
puede llegar hasta 20 kN.
Zona IV
Zona de gran dureza y alta abrasividad. Dominio de
la roto-percusión hidráulica.
Los parámetros de perforación que corresponden a
cada zona, para unos diámetros de perforación com-
prendidos entre 30 y 51 mm, son según Secoma los
siguientes:
TABLA 6.1
107
RESISTENCIA A EMPUJE DIAMETRO DEL VELOCIDAD DE
COMPRESION UNITARIO BARRENO GIRO
(MPa) (/mm) (mm) (r/min)
< 30 < 140 < 50 > 800
30 - 50 140 - 210 > 75 > 100
<50 600 - 800
> 75 70 - 100
> 50 > 210 <50 < 600
> 75 < 70
,
siendo «p» el avance de la boca en cada giro completo.
ROTACION
DE BOCA -
fi{
°1
ORrFICIO PARA
-BARRIDO CON
AIRE O AGUA
(o)
Figura 6.8. Anguloscaracterísticosde unútildecorte(Fishy
Barker, 1956).
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 án-
gulo 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 Policristalinos-
PDC», 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 forma-
das a altas presiones y temperaturas. El material com-
puesto resultante posee una resistencia a la abrasión
excepcional con una alta resistencia del carburo de
tungsteno a los impactos.
108
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 triangula-
res, paralelepípedos y cilindros.
--l\r5° ANGULODE CORTE4 ORIFICIOS ~ X7
DE BARRIDO ~I
DIAMETRO
76 mm
7 PLAQUIT AS
DE DIAMANTES
CANALES DE
EVACUACION
DEL DETRITOS
PROTECCION-DE CARBURO
DE TUNGSTENO
O DIAMANTES
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 per-
forar 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.
Foto1. Equipo de perforación rotativa con varillaje helicoidal
en una mina de potasa.
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que de Rocas con Explosivos en Proyectos Subterráneos.
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109