Apuntes de curso de explotación de minas

UNIVERSIDAD DE CHILE
FACULTAD DE CIENCIAS FÍSICAS Y MATEMÁTICAS
DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA DE MINAS
APUNTES DE
CURSO DE EXPLOTACIÓN DE MINAS
Preparado por Julián Ortiz C.

MI57E – Explotación de Minas 2
INTRODUCCIÓN
Un poco de historia
La minería ha sido parte de la historia del hombre desde la prehistoria. En Chile, la
importancia de la minería se puede trazar a los incas. La relevancia de la minería durante la
Colonia y en el Chile Republicano también es evidente. La Chilenización y Nacionalización
del Cobre en épocas más recientes marcaron en buena parte la historia política de nuestro
país.
A continuación se listan hechos relevantes en la historia de la minería en lo referente a Chile:
• Incas explotan oro (lavaderos), cobre y piedras preciosas (turquesa)
• Españoles en busca de riquezas mineras (oro)
• Chile republicano ha tenido dos guerras: ambas por razones mineras
o Confederación Perú-Boliviana (1835) Guano
o Guerra del Pacífico (1879) Salitre
• Altos y bajos en la minería del oro, fuerte desarrollo en el S. XVIII y decadencia en el
S. XIX (Jesus María, Las Vacas, Andacollo, El Bronce de Petorca, etc.)
• Auge de la minería de la plata en el S. XIX (Agua Amarga, Chañarcillo, Chimberos,
Tres Puntas, Caracoles, etc.)
• 1830-1860: Valor de producción de la plata superó lejos a todo el oro que se ha
producido hasta esa fecha
• Desarrollo de la minería del Cobre: Chile primer productor del mundo entre 1860-1880
• Construcción de puertos y fundiciones en el Norte Chico
• Producción de 40.000 ton Cu / año era 25% de la producción mundial
• Entre 1830-1880 Atacama fue la provincia más prolífera del país
• Copiapó era centro político, cultural y económico
• Se construyó el primer ferrocarril en Chile entre Copiapó y Caldera
• Copiapó: primera ciudad de Chile con alumbrado a gas
• Se invierten ganancias en viñas, líneas de vapores, bancos, ferrocarriles y palacios en
la zona central de Chile
• A mediados del S. XIX comienza paralelamente la explotación del carbón en el Golfo
de Arauco: Se construye la primera central hidroeléctrica de Chile en 1897, en
Chivilingo (Lota)
• Auge del salitre después de la Guerra del Pacífico y decadencia del cobre: Desarrollo
de Iquique, Tocopilla, Antofagasta y Taltal

• El 28 de Diciembre de 1945 se perfora el primer pozo de petróleo en Tierra del Fuego
• A partir de 1965 comienza la Chilenización y posteriormente en 1971, la
Nacionalización de la Gran Minería del cobre: Profesionales chilenos se hicieron
cargo de las operaciones y desarrollo de la Gran Minería
• Impresionante auge de la minería del cobre y oro a partir de 1980
• Otras sustancias o elementos no han sido relevantes en la historia minera de Chile
(razones geológicas)
La minería hoy
La minería de hoy en Chile se destaca por sobre otras actividades económicas. Los montos
de las ventas de productos mineros son gigantescos si se comparan con otras áreas de la
actividad económica de Chile. En particular, el cobre lidera las ventas con un orden de
magnitud más que cualquier otro producto.
Principales producciones mineras (2004)
Producto Ton Anuales Valor Producción Anual
(millones de US$)
Cobre 5.412.000 14.500
Molibdeno 42.000 1.400
Oro 40 320
Plata 1.360 113
Hierro 8.000.000 160
Yodo 15.000 175
Salitre 1.400.000 80
Carbonato de Litio 50.000 65
Producción de Cobre (fuente: Cochilco)

Minería del Cobre
De la producción de cobre, aproximadamente el 85% proviene de faenas que explotan el
recurso por rajo abierto, mientras que sólo el 15% restante lo hace a través de métodos de
explotación subterráneos. Aproximadamente dos tercios del mineral extraído se procesa
mediante el proceso típico para sulfuros (flotación-fundición), mientras que el resto
corresponde al proceso de óxidos (proceso de lixiviación, extracción por solventes y electro-
obtención). Sin embargo, se debe destacar que la producción mediante este proceso
hidrometalúrgico corresponde aproximadamente al 60% de la producción mundial que se
obtiene a partir de mineral oxidado en el mundo, poniendo a Chile en una posición de
liderazgo en este tipo de procesos.
El desarrollo típico de un proyecto minero toma muchos años, tal como se muestra en la
figura siguiente, donde se puede apreciar que pueden pasar fácilmente diez años desde que
se inicia la exploración de un prospecto hasta que ésta pasa a ser una mina en producción.
Desarrollo de un proyecto cuprífero
La inversión necesaria típica para un proyecto cuprífero de gran minería bordea 4000-6000
US$/ton Cu fino por año. Es así como una mina que proyecta producir 100.000 tpa de Cu
fino, requerirá una inversión de sobre 400 millones de dólares normalmente.
A continuación se entrega una lista de los mayores proyectos nuevos y expansiones de los
últimos 15 años en Chile.
Los grandes proyectos de cobre de los últimos 15 años y
las expansiones de Codelco (>100.000 tpa):
1ª Región El Abra 4ª Región
Collahuasi Zaldivar Los Pelambres
Cerro Colorado Mantos Blancos
Quebrada Blanca El Tesoro 5ª, 6ª y Región Metrop.
Chuquicamata Andina
2ª Región Los Bronces
Escondida 3ª Región El Teniente
Radomiro Tomic Candelaria

A continuación se muestra una serie de estadísticas que indican la posición de Chile en
cuanto a la producción de cobre mundial, al consumo, precio y costo de producción,
obtenidas del sitio web de la Comisión Chilena del Cobre (www.cochilco.cl).
Producción Mundial de Cobre.
Participación de Chile (2003) (Fuente: Cochilco)
Principales consumidores del cobre en el mundo
(miles de Ton de Cu - 2003) (Fuente: Cochilco)
• China 3.065
• Estados Unidos 2.326
• Japón 1.202
• Alemania 1.083
• Corea del Sur 900
• Italia 679
• Taiwán 619
• Francia 551
• Rusia 447
• México 411
Consumo per cápita:
• 1 a 2 kg de Cu/hab año en paises en desarrollo
• 15 a 20 kg de Cu/hab año en paises desarrollados

Tendencias del precio del cobre:
Tendencias de los costos directos de producción
Desglose aproximado (en %) de costos directos
• Mano de obra propia 18%
• Insumos 35%
• Energía 12%
• Servicios de terceros 20%
• Otros 15%
Total (40 a 50 cUS$/libra): 180 a 220 millones de dólares al año para una faena de
200.000 tpa de Cu
Por cada centavo adicional en el precio del cobre Chile ingresa 120 millones de US$
anualmente

Fortalezas y debilidades
La minería en Chile tiene las siguientes fortalezas y debilidades, las que constituyen los
desafíos de los profesionales de la minería de las próximas décadas:
• Fortalezas
o Recursos minerales en abundancia y de buena calidad (especialmente cobre)
Aproximadamente 1/3 de reservas mundiales de cobre
o Institucionalidad eficiente y marco jurídico claro
o Infraestructura desarrollada. Cercanía a puertos
o Proyectos en zonas desérticas
o Mano de obra especializada y profesionales calificados
o Costos razonables
• Debilidades
o Requerimiento de grandes inversiones
o Fuertes fluctuaciones de los precios de los metales
o Escasa comprensión de la comunidad, tanto local como del país
o Baja inversión en investigación y desarrollo

o Imagen negativa en relación al medio ambiente y seguridad
o Proyectos en zonas remotas (sobre 3000 msnm)
Los encadenamientos en el proceso minero (cluster)
• Cluster: concentración de instalaciones físicas de empresas en torno a una misma
actividad en una localidad geográfica determinada.
o Desarrollo de mercados de insumos específicos
o Mano de obra especializada
o Se hace investigación y desarrollo en conjunto (entre todas las empresas) lo
que conduce a innovaciones tecnológicas de punta
o Educación superior focalizada
o Empresas de ingeniería y construcción con énfasis en el tema del cluster
o Instituciones financieras especializadas en minería
• Características de un cluster para Chile
o Ventajas naturales en cuanto a reservas minerales
o Tamaño del sector Cobre (5.500.000 tpa)
o Importante flujo de dinero (por año):
Insumos en Chile
Remuneraciones
Serv. de terceros
Energía
o Proyectos de la última década (por año)
Ingeniería
Construcción
Adquisiciones
Comentarios
• La minería ha sido para Chile el sector económico de mayor relevancia:
o Del orden del 10% del PGB
o Más del 50% de la entrada de divisas
o La inversión materializada en los últimos años ha sido captada en más del 60%
por la minería
• Grandes posibilidades en el mediano y largo plazo:
o Recursos suficientes. Cada año aumentan: ¿recursos no renovables o no
agotables?
o Infraestructura adecuada
o Tratados internacionales para fortalecer la demanda

o Minería globalizada. Las grandes empresas mineras internacionales están en
Chile
o La sustitución del Cobre no se visualiza amenazante (consumo per cápita de
cobre crece vertiginosamente en los países en desarrollo)
o País ordenado y socialmente estable
• Los desafíos a futuro:
o Consolidar el liderazgo en la producción de cobre
o Asegurar y desarrollar los mercados
o Reforzar la investigación y las innovaciones tecnológicas para mantener
competitividad: exportación de tecnologías y mayor valor agregado
o Mantener marco jurídico y tributario estable, resolviendo adecuadamente el
tema de distribución de las utilidades (royalty)
o Desarrollar en serio el tema del cluster
o Resolver el desarrollo sustentable (ambiental, social y económico)
o Formar profesionales altamente capacitados en todos los niveles y en todas las
especialidades de la ingeniería

ESTADÍSTICAS DE LA MINERÍA Y EL COBRE EN CHILE
La información que se presenta a continuación corresponde al reporte anual generado por
Cochilco y que puede ser consultada en su versión completa en el sitio de Cochilco
(www.cochilco.cl).

Productor Producción
Miles TMF Cu
(2004)
Escondida 1195
Chuquicamata 691
Collahuasi 481
Los Pelambres 362
El Teniente 435
Radomiro Tomic 291
Sur Andes 300
El Abra 218
Andina 240
Candelaria 200
Mantos Blancos 155
Zaldívar 148
Cerro Colorado 120
El Tesoro 98
Enami 120
Quebrada Blanca 76

Sector minero participa en ~8% del PIB

0.86% de fuerza laboral total
74% de fuerza laboral minera trabaja en minería del cobre

Precio del Cobre Promedio
• 2003: 80.7 cUS$/lb
• 2004: 130.1 cUS$/lb
• 2005: 167.1 cUS$/lb
• 2006*: ~220 cUS$/lb

Chile es :
• 1er productor de cobre del mundo
• 13º productor de oro del mundo
• 5º productor de plata del mundo
• 1er productor de molibdeno

LA EXPLOTACIÓN DE MINAS
La explotación de minas es el conjunto de actividades, operaciones o trabajos que es
necesario realizar para separar físicamente los minerales desde su ambiente natural y
transportarlos hasta las instalaciones de procesamiento. Consiste, por lo tanto, en la
ejecución secuencial de dos operaciones básicas: el arranque y el manejo de materiales.
Arranque: Se denomina arranque al proceso de separar o arrancar el mineral de la corteza
terrestre. Salvo algunas excepciones, esta operación se realiza en la mayoría de los casos
haciendo detonar cargas explosivas emplazadas en huecos cilíndricos perforados en el
macizo rocoso. Se distingue así entre las suboperaciones de Perforación y Tronadura.
Movimiento o manejo de materiales: Este proceso implica a su vez la ejecución
combinada, en varias instancias, de las suboperaciones de Carguío y Transporte.
Explotación de
Minas
Arranque
Perforación
Tronadura
Manejo de
materiales
Carguío
Transporte
Operaciones
auxiliares

La perforación, tronadura, carguío y transporte, junto con la ventilación, se denominan
operaciones unitarias. Son las operaciones independientes que realizadas en cierta
secuencia permiten la explotación de un depósito, o su desarrollo.
Antes de comenzar a describir las operaciones unitarias, es necesario definir ciertos términos
para evitar confusión posteriormente, cuando se describan éstas y cuando se detallen los
métodos de explotación.
Mineral: Es una sustancia inorgánica de ocurrencia natural en la corteza terrestre, que posee
un conjunto distintivo y característico de propiedades físicas y una composición que puede
ser expresada por una fórmula química. Es decir, los minerales son combinaciones definidas
y precisas entre elementos químicos.
De las minas, por lo general, se extraen rocas. Sólo en casos excepcionales se extraen
elementos químicos o minerales en estado puro. Las rocas son agregados de minerales, es
decir, combinaciones variables entre diferentes minerales.
En la actualidad, se conocen del orden de 104 elementos químicos. Entre ellos, 15 han sido
obtenidos en forma sintética en laboratorios, sin detectarse su presencia en forma natural en
la corteza terrestre y otros pocos, los gases nobles, han permanecido siempre en la corteza
terrestre. Del resto, sólo 8 elementos constituyen el 92% de la corteza terrestre: O 47%, Si
28%, Al 8%, Fe 5%, Na – Mg – K – Ca un poco menos de 4%. Estos elementos,
conjuntamente con los otros menos comunes dan origen a aproximadamente 2.000
minerales diferentes.
Recursos geológicos: Se entiende por recursos al conjunto de unidades de roca,
generalmente definidas a través de un modelo de bloques con leyes estimadas mediante
algún método, que poseen una concentración de un elemento o mineral anómala respecto a
su entorno y que posee características de continuidad geológica confirmadas mediante
sondajes y mediante la interpretación experta de un geólogo con experiencia en ese tipo de
mineralización.
Reservas mineras: Corresponden a la porción de los recursos que es factible de extraerse
generando un beneficio económico y que considera las características de continuidad de la
mineralización, continuidad de las leyes y una serie de factores que modifican el valor del
recurso, tales como factores políticos, financieros, medioambientales, laborales, geográficos,
etc. Las reservas son la parte del recursos que puede extraerse una vez que se han tomado
en cuenta los factores tecnológicos de diseño y las condiciones financieras del momento y
lugar del proyecto.
Yacimiento minero: Se habla de yacimientos en un sentido amplio al referirse a una
anomalía geológica que implica la concentración fuera del nivel normal que se encuentra en
la roca, de algún elemento o mineral de interés (recursos geológicos). Implica una
concentración desde un punto de vista geológico, sin necesariamente hablar de su potencial
beneficio económico. Sin embargo, en el marco de este curso, se entenderá por yacimiento
minero a un sector limitado de la corteza terrestre que posee concentraciones de minerales o
elementos que tienen un potencial interés económico y que por lo tanto pueden ser extraídos
generando un beneficio. En este contexto, un yacimiento es sinónimo de un depósito.

Es importante notar que esta definición es relativa e incluso ambigua, dado que la factibilidad
económica de un proyecto minero varía según diversos factores. Por ejemplo, un cambio
tecnológico puede hacer que recursos que anteriormente no fueron considerados entre las
reservas del yacimiento, lo sean ahora, dado que, por ejemplo, se puede profundizar un rajo
con un mayor ángulo de talud a un costo bajo. Por otro lado, regulaciones ambientales
pueden transformar reservas mineras en recursos, dado que por un cambio legislativo, la
concentración máxima permitida de un elemento contaminante puede subir, haciendo que su
eliminación del concentrado o del producto final de la mina tenga un costo adicional que
antes de la promulgación he dicho reglamento no existía. Otros factores, como el precio del
producto obtenido, avances en tecnología de explotación y procesamiento del mineral,
pueden afectar el balance del beneficio, generando más reservas en un depósito, sin variar
sus recursos. También puede ocurrir que yacimientos muy similares en cuanto a sus
características físicas y mineralógicas sean o no explotables dependiendo de su ubicación
geográfica, condiciones climáticas, etc.
Se distinguen tipos de yacimientos según el producto que generan:
• Yacimientos metálicos: cobre, oro, plata, molibdeno, manganeso, hierro, plomo, zinc,
etc.
• Yacimientos no metálicos: sales, calizas, sílice o cuarzo, yeso, azufre, yodo, arcillas,
etc.
• Yacimientos de combustibles fósiles: carbón, antracita, esquistos bituminosos.
En Chile predomina la minería metálica, pero pueden encontrarse yacimientos de todos los
tipos anteriores. La explotación de minas en el sentido que se entiende en este curso se
aplica principalmente a la minería metálica. Las principales diferencias con otros tipos de
minería están en que muchas veces estos últimos no involucran la perforación y tronadura
para extraer el material que se lleva a proceso, y que estos procesos son completamente
distintos (si se requieren) que en el caso de la minería metálica.
Mina: Corresponde al lugar físico de la faena organizada que permite la extracción de un
determinado mineral o elemento. Es una excavación hecha en la corteza terrestre con el
propósito de extraer estos minerales. La excavación puede ser superficial (en rigor, diremos
que está permanentemente expuesta a la superficie) o subterránea. También pueden
coexistir ambos tipos.
En el primer caso, se habla de minas a rajo abierto o cielo abierto (open-pit, en inglés).
También se las llama canteras, término principalmente aplicado a minerales industriales, que
se extraen directamente para la venta. Adicionalmente, existen otros tipos de explotación de
depósitos: los lavaderos o placeres corresponden a depósitos de arena sedimentarios en
antiguos lechos de ríos o playas que permiten la recuperación de oro, piedras preciosas u
otros elementos químicos valiosos. Asimismo, existe la minería por disolución, para extraer
azufre u otras sales en yacimientos muy profundos. También existe investigación en la
aplicación de minería costa afuera para recuperar nódulos de manganeso depositados en
fondos marinos.
En el caso de la explotación subterránea, se diferencian según el método de explotación
utilizado.

ETAPAS DE UN PROYECTO MINERO
Un proyecto minero pasa por varias etapas, en cada una de las cuales se va mejorando el
conocimiento del depósito y se aumenta el nivel de detalle en la ingeniería desarrollada.
Prospección y Exploración
La fase de prospección consiste en identificar la ubicación de concentraciones anómalas de
minerales, tanto metálicos, como no metálicos y fósiles. Puesto que los depósitos se
encuentran generalmente en el subsuelo, se utilizan métodos directos e indirectos para
encontrar estas anomalías. Un método directo consiste en la identificación visual ya sea de
un afloramiento o de detritos arrastrados del sitio de la anomalía. Esto se complementa con
estudios geológicos del sitio, lo que es ayudado por fotografías aéreas y mapas topográficos
y estructurales de la zona. Métodos indirectos consisten principalmente en geofísica, donde
se detectan anomalías sísmicas, magnéticas,
gravitacionales, eléctricas, electromagnéticas y
radiométricas. La geofísica permite explorar áreas
extensas y definir a escala más local la existencia de
cuerpos que pueden constituir un depósito. La geoquímica
y geobotánica también se utilizan en prospección.
La segunda etapa, de exploración, se ocupa de
determinar lo más precisamente posible, con la escasa
información disponible, la extensión (volumen o tonelaje) y
calidad (ley) del depósito, pudiéndose ya tener una primera
idea de su valor económico. En esta etapa se realiza un
muestreo más regular y sistemático de manera de definir
más precisamente los límites del depósito. Las muestras,
obtenidas en trincheras, o a través de sondajes, son
evaluadas a través de análisis químico, espectral o de
rayos X. Aunque existen varios tipos de sondajes, en esta
etapa se suelen usar métodos que permiten recuperar
testigos, lo que permite mapear las estructuras del
subsuelo.
La prospección y exploración concluyen con la elaboración de un estudio de factibilidad Este
estudio define si se debe continuar o no con el proyecto y, aunque es principalmente

económico, también debe considerar otros factores (legal, tecnológico, medioambiental,…).
Algunos de los puntos de mayor importancia de este estudio son la definición de reservas,
recuperación metalúrgica, tasa de producción, costos (exploración, capital, mina, planta,
impuestos), ingresos (precio futuro del elemento de interés) y aspectos financieros (inversión,
depreciación).
Desarrollo
Esta etapa constituye el comienzo de la minería propiamente tal, pues se debe acceder al
mineral ya sea removiendo la sobrecarga o iniciando excavaciones subterráneas.
Sin embargo, previo a ello, es necesario salvar algunas otras etapas, como la elaboración de
una evaluación de impacto ambiental, la adquisición de derechos sobre la propiedad minera,
derechos de agua, desarrollo de caminos y de infraestructura eléctrica.
En el caso de minería de superficie (rajo abierto, canteras) el desarrollo implica extraer la
sobrecarga e ir despejando varias frentes donde se iniciará la explotación, de manera de
reducir el riesgo de cambios en las leyes estimadas en el estudio de factibilidad. La
secuencia típica comprende en muchos casos las mismas operaciones unitarias que la
explotación misma, es decir, perforación, tronadura, carguío y transporte del lastre al
botadero. En casos que la sobrecarga no tenga el grado de consolidación suficiente, la
tronadura puede no ser necesaria.
En el caso de minas subterráneas, el desarrollo es mucho más costoso pues implica la
construcción de galerías o piques, los cuales tienen un alto costo y son de lenta ejecución.
Estas excavaciones deben permitir el acceso de personal y equipos para el posterior
desarrollo de los niveles principales de explotación y de las excavaciones auxiliares de
ventilación. Además, en muchos casos, el método de explotación contempla cámaras de
chancado subterráneas, por lo que se requiere construir estas cámaras.
El desarrollo se hace de manera de poder iniciar la explotación y abastecer a la planta de
mineral de manera ininterrumpida. Labores de desarrollo continúan una vez que la mina ya
ha iniciado su producción. Esto asegura la continuidad futura de la alimentación a planta.
Explotación
La última etapa es la de explotación, donde se inicia de manera sostenida la alimentación a
planta con importantes cantidades de mineral.
El método de explotación seleccionado depende principalmente de la forma, tamaño y
localización del cuerpo mineralizado. Además, juegan un importante rol, factores
económicos, tecnológicos y de seguridad. Dependiendo de la ubicación respecto a la
superficie y su forma, se definen principalmente dos tipos de métodos de explotación: de
superficie y subterráneos.

Métodos de explotación de superficie consideran rajo abierto, canteras y otras variantes, así
como también la explotación de placeres. Métodos de explotación subterránea pueden
clasificarse principalmente en tres tipos dependiendo del tratamiento que se hace de la
cavidad que deja la explotación. Se pueden considerar métodos donde, tras la extracción del
mineral, la cavidad queda soportada por las paredes del caserón o por pilares, sin un soporte
adicional. Otra opción es el uso de algún material para rellenar la cavidad de manera de
permitir la continuidad de la operación. Una última alternativa consiste en sacar mineral al
mismo tiempo que material de menor ley o estéril rellena la cavidad que se va generando.
Las etapas de la explotación de minas
corresponden a:
• Arranque:
o Perforación
o Tronadura
• Manejo de materiales:
o Carguío
o Transporte
• Operaciones auxiliares:
o Ventilación
o Acuñadura
o Fortificación
o …

INTRODUCCIÓN A LOS MÉTODOS DE EXPLOTACIÓN
Previo a describir los distintos métodos de explotación, es necesario conocer los principales
componentes de un complejo minero. En particular, en una mina subterránea, se cuenta con
los siguientes elementos:
Infraestructura básica:
• Túneles de acceso de personal y/o transporte de minerales
• Piques de acceso de personal y/o extracción de minerales
• Rampas de acceso de personal y/o transporte de minerales
• Túneles y/o piques principales de ventilación
• Cámaras o estaciones de chancado subterráneas
• Piques principales de traspaso de mineral
• Cámaras o estaciones de aire comprimido
• Cámaras o talleres de mantención mecánica
• Polvorines
• Oficinas, comedores y posta de primeros auxilios
Labores de desarrollo:
• Galerías y rampas de acceso a los cuerpos mineralizados
• Galerías o subniveles de perforación
• Embudos o zanjas recolectoras de mineral
• Piques de traspaso de minerales
• Galerías y chimeneas de ventilación
• Galerías de transporte de mineral
Instalaciones
• Puntos de extracción
• Parrillas de control de tamaño
• Estaciones de reducción de tamaño (martillos picadores)
• Buzones de carguío
• Subestaciones eléctricas
• Vías férreas
• Estaciones de bombeo

El método de explotación describe la estrategia o los principios generales según los cuales
se ejecutan las operaciones básicas para el arranque y manejo del material. Como se
mencionara anteriormente, se puede diferenciar entre la explotación a rajo abierto y la
subterránea. En este último caso, los métodos se diferencian según el tratamiento que se le
da a la cavidad que se produce al extraer el material. Así, se distingue entre:
• Métodos de caserones abiertos, que corresponden a aquellos que consideran la
extracción del mineral y dejar la cavidad que éste ocupaba vacía. Para ello, el caserón
debe mantenerse estable en forma natural (ser autosoportante) o requerir escasos
elementos de refuerzo. Estos caserones se dejan vacíos una vez que concluye la
explotación.
• Métodos de caserones que requieren elementos de soporte para mantenerse estables
y/o que se rellenan con algún material exógeno.
• Métodos de hundimiento, esto es, donde las cavidades generadas por el mineral
extraído son rellenas con el material superpuesto (mineral, mientras dura la
explotación, y estéril, una vez finalizada). El hundimiento y consecuente relleno de las
cavidades se produce simultáneamente a la extracción del mineral.
La selección del método de explotación depende de muchos factores, siendo los más
relevantes la ubicación, forma (cuerpo tabular vertical o sub-vertical, cuerpo tabular horizontal
o sub-horizontal, cuerpo masivo de forma irregular), tamaño, topografía de superficie,
profundidad de la mieralización, tipo de mineral (oxidado, sulfurado, mixto; roca primaria,
secundaria), regularidad de la mineralización, calidad del macizo rocoso desde un punto de
vista geomecánico, etc.
A continuación se muestran algunos esquemas que ilustran distintos complejos mineros y
métodos de explotación y donde se muestran los elementos antes mencionados.
Los métodos que se revisarán en este curso son:
• Room and Pillar
• Shrinkage Stoping
• Sub-Level Stoping
• Cut and Fill
• Sub-Level Caving
• Block Caving
Adicionalmente, se revisarán los conceptos fundamentales de la explotación por rajo abierto.
Antes de concluir esta introducción, es importante señalar que la industria minera posee
ciertas características que la distinguen de otras actividades productivas. Por ejemplo:
• El yacimiento minero es un fenómeno natural y por lo tanto hay que explotarlo en el
lugar donde se ubica. Esto implica que en muchos casos, se debe construir caminos
de acceso, suministrar energía eléctrica, captar y conduicir el agua para el proceso y
para el consumo humano en faena, construir campamento, etc. Se debe dotar a la
faena de toda la infraestructura física y de servicios que permita el desarrollo normal

de las actividades. Esto implica la participación de diferentes especialidades de la
ingeniería en la construcción, puesta en marcha y operación de una mina, así como la
realización de importantes inversiones que deben recuperarse y generar un beneficio
en un plazo razonable.
• Los recursos de los depósitos son finitos y no renovables, por lo que es necesario
realizar inversiones importantes para explorar y encontrar recursos adicionales para
satisfacer la demanda, en la medida que los yacimientos en explotación se van
agotando. Una empresa minera que no invierte en exploración inevitablemente
desaparece.
• El riesgo desde el punto económico y financiero en la industria minera es alto
comparado con otras industrias más convencionales. Los recursos son inciertos y la
geología del yacimiento se va comprendiendo mejor en la medida que se explota, una
vez que la decisión de invertir en el proyecto ya se ha tomado. Por esta misma razón,
la tasa de retorno de proyectos mineros suele ser mayor que la que se considera en
un proyecto normal de inversión.
• La industria minera tiende a expandirse para generar productos con valor agregado.
En el caso de la minería metálica chilena, se consideran en la producción una serie de
procesos físicos y químicos que permiten la obtención final de metales de consumo
industrial. A pesar de ello, muchas veces sigue siendo un excelente negocio vender un
producto intermedio como los concentrados.

INTRODUCCIÓN A LOS MÉTODOS DE EXPLOTACIÓN
El proceso productivo minero involucra una serie de actividades que deben ser desarrolladas
en forma coordinada. La figura siguiente muestra cómo se relacionan estas actividades en
cada etapa de un proyecto minero.

A continuación, se muestra un esquema donde se ilustran la infraestructura general de una
mina. En la zona superficial, existe una explotación por rajo abierto, pero por las
características de la mineralización, la explotación continúa como una mina subterránea.
Para ello, se puede ver que se construyó un pique (excavación vertical descendente) que
permite el acceso a los distintos niveles de la mina, y se desarrollan subniveles que permiten
acceder a los caserones en explotación, piques de traspaso para llevar el mineral al nivel
inferior y cargar el balde (skip). Adicionalmente, se pueden ver rampas que conectan
subniveles y otros desarrollos de exploración en los niveles inferiores de la mina.
Este tipo de infraestructura es típico de un complejo minero. Normalmente, las minas, tanto a
rajo abierto como subterráneas, explotan varias frentes, muchas veces coordinando en
paralelo la explotación de algunos sectores y la preparación de otros.

La figura siguiente muestra el esquema típico en una situación donde lo que se explotan son
mantos. Se muestra, en particular como se realiza la explotación de un sector.
SECCIÓN ESQUEMÁTICA DE UN COMPLEJO MINERO SUBTERRÁNEO
Y DETALLE DE UN SECTOR PRODUCTIVO

A continuación, se muestra un complejo minero que constan de varias minas, todas ellas
explotadas de manera coordinada, de modo de minimizar los costos de desarrollo de
infraestructura (como piques, niveles de transporte, accesos) y mejorar la rentabilidad del
negocio.
SECCIONES ESQUEMÁTICAS
COMPLEJO MINERO SUBTERRÁNEO

En esta figura se muestra un sección típica de la explotación de la mina Río Blanco de
División Andina. Se aprecian dos sectores principales, uno donde se explota por block caving
con LHD (palas de bajo perfil) y otro donde el escurrimiento de la roca fragmentada se realiza
con parrillas. Se puede ver que la organización general de la infraestructura permite la
explotación de ambos sectores, con el mejor aprovechamiento posible de ésta.
SECCIÓN ESQUEMÁTICA MINA RÍO BLANCO
CODELCO CHILE – DIVISIÓN ANDINA

Con un método de explotación similar al de Andina, se muestra aquí una descripción
esquemática de los distintos niveles de una mina operada por block caving. Este caso
corresponde a El Teniente, de Codelco Chile.
SECCIÓN ESQUEMÁTICA PROCESO PRODUCTIVO SECTOR “ESMERALDA”
CODELCO CHILE – DIVISIÓN EL TENIENTE

Con un método de explotación diferente, en este caso un sublevel stoping, se ilustra en esta
figura el proceso productivo de la mina Mantos Blancos de Anglo American Chile.
SECCIÓN ESQUEMÁTICA
PROCESO PRODUCTIVO MINA “MANTOS BLANCOS”
ANGLO AMERICAN CHILE
Las figuras siguientes muestran esquemas típicos de los métodos de explotación siguientes:
• Room and Pillar
• Shrinkage Stoping
• Sub-Level Stoping
• Cut and Fill
• Sub-Level Caving
• Block Caving

ROOM AND PILLAR
CUERPO TABULAR HORIZONTAL O SUBHORIZONTAL

SHRINKAGE STOPING
CUERPO TABULAR VERTICAL O SUBVERTICAL
Vetas angostas (2 a 5 metros)

SUB-LEVEL STOPING
Vetas anchas (5 a 20 metros)

CUT AND PILL

SUB-LEVEL CAVING
CUERPO TABULAR VERTICAL O SUBVERTICAL DE GRAN ESPESOR (30 A 60 metros)
Se aplica también en cuerpos masivos de forma irregular

SUB-LEVEL CAVING
Disposición general de las labores

BLOCK CAVING
Cuerpos masivos de forma irregular

BLOCK CAVING EN SU MODALIDAD TRADICIONAL
CODELCO CHILE – DIVISIÓN EL TENIENTE

MINA EL TENIENTE
SISTEMA DE EXTRACCIÓN MECANIZADO
GRANULOMETRÍA GRUESA

INTRODUCCIÓN AL ARRANQUE DE MATERIALES
Como ya fue explicado en la introducción general al curso, el proceso extractivo de una faena
minera consiste en lo esencial en la ejecución secuencial de dos operaciones básicas:
arranque del mineral o excavación de la roca y manejo del material.
Se denomina arranque al proceso de separar y/o arrancar físicamente los minerales o rocas
de la corteza terrestre. Esta operación es la que da inicio al proceso productivo en una faena
minera. Salvo algunas excepciones, en la gran mayoría de los casos esta operación se
realiza haciendo detonar cargas explosivas emplazadas en huecos cilíndricos perforados en
el macizo rocoso.
Se distinguen por lo tanto dos sub-operaciones:
• Perforación
• Tronadura
Métodos de perforación
En la práctica minera se requiere crear o perforar huecos cilíndricos en la roca con diferentes
objetivos:
• Exploración y reconocimiento de yacimientos o depósitos minerales cantidad y
calidad.
• Estudios geotécnicos propiedades de la roca.
• Inserción y detonación de cargas explosivas con fines de fragmentación.
• Colocación de elementos de refuerzo
.
Consideraremos en este curso comprenden la perforación destinada a los dos últimos
propósitos indicados anteriormente.
Para crear un hueco cilíndrico en un sólido es necesario aplicar energía. En un sentido
amplio y según el principio físico utilizado para aplicar la energía requerida, un sólido puede
ser horadado recurriendo a diferentes métodos de perforación. Se pueden distinguir así los
siguientes:
• Mecánicos
• Térmicos

• Hidráulicos
• Ondas (sonoras o luminosas)
• Otros
En los trabajos concernientes a la excavación de rocas, hoy en día se utilizan exclusivamente
sistemas de perforación que se basan en la aplicación de energía mediante métodos
mecánicos.
Sistemas mecánicos de perforación
La aplicación de energía mecánica para horadar la roca se puede efectuar básicamente
mediante dos acciones:
P E R C U S I Ó N
La herramienta horada la roca por el efecto de impactos
sucesivos de alta frecuencia y gran energía,
combinados con un giro o rotación entre golpe y golpe
de modo que la roca presente siempre una superficie
nueva al impacto y evitar así que la herramienta se
entierre o atasque. La rotación, en este caso, no
contribuye mayormente al proceso de fracturamiento de
la roca.
R O T A C I Ó N
La herramienta penetra la roca por la acción conjunta
de un torque de rotación y de una gran fuerza de
empuje aplicada sobre la superficie rocosa.
Se diferencia así entre sistemas de perforación por PERCUSIÓN y sistemas de perforación
por ROTACIÓN.

Sistemas de perforación por percusión
Un sistema de perforación por percusión consiste en lo esencial de tres componentes
funcionales:
• MAQUINA PERFORADORA: La máquina perforadora es la que genera las fuerzas de
penetración; vale decir, convierte la energía original que alimenta a la máquina en
energía mecánica de impacto.
• BARRA O COLUMNA DE BARRAS: Transmite la energía de impacto desde la
máquina perforadora al macizo rocoso.
• HERRAMIENTA DE PERFORACIÓN: Es el elemento o componente que aplica la
energía a la roca. En la terminología minera se le denomina BROCA o BIT.
En la actualidad, atendiendo a la fuente de energía utilizada y según el orden como se
acoplan estos componentes, se pueden identificar tres sistemas de perforación por percusión.
Sistemasdepercusiónneumáticos
Son aquellos que utilizan como fuente de energía el AIRE COMPRIMIDO para el accionamiento de
la máquina perforadora. Se distinguen básicamente dos sistemas o modalidades funcionales
según el orden de acoplamiento de sus componentes esenciales:
SISTEMA CONVENCIONAL O TOP-
HAMMER
Sus componentes se acoplan en el
orden siguiente:
• Máquina perforadora
• Columna de barras
• Herramienta

SISTEMA DOWN-THE-HOLE O "DTH"
Sus componentes se acoplan en el
orden siguiente:
• Unidad de rotación
• Columna de barras
• Máquina perforadora o martillo
• Herramienta
Sistemadepercusiónhidráulico
En este caso se utiliza como fuente de energía un fluido hidráulico (aceite a presión) para el
accionamiento de la máquina perforadora. Su modalidad funcional es exclusivamente del tipo
CONVENCIONAL O TOP-HAMMER.
También algunos hablan de ROTOPERCUSIÓN, en el sentido de que este sistema combina el
efecto de los impactos con un torque de rotación más enérgico, acción esta última que
contribuye parcialmente en el proceso mismo de ruptura y penetración de la roca. No
obstante, el efecto del impacto es predominante.
Sistemas de perforación rotativos
Los sistemas de perforación rotativos no poseen una MÁQUINA PERFORADORA
propiamente tal, sino que de preferencia utilizan directamente la energía eléctrica (motores) o
combinaciones electro-hidráulicas para el accionamiento de los diferentes mecanismos que
intervienen en el proceso: rotación, fuerza de empuje y otros.
Asimismo, también es frecuente el uso de un motor diesel como unidad de potencia en
combinaciones diesel-hidráulico y diesel-eléctrico.

Campo de aplicación
Según diámetro de perforación
SISTEMA DE
PERFORACIÓN
TIPO DE
ACCIONAMIENTO
MODALIDAD
FUNCIONAL
CAMPO DE
APLICACIÓN
Convencional
(Top-hammer)
Minería subterránea
Diám = 27 a 41 mm
Minería a rajo abierto
Diám = 35 a 127 mm
Neumático
Down-the-hole
Diám = 89 a 200 mm
Diám = 89 a 165 mm
PERCUSIÓN
Hidráulico
Convencional
(Top-hammer)
Diám = 35 a 89 mm
Diám = 51 a 127 mm
ROTACIÓN
Eléctrico Diesel -
hidráulico Diesel -
eléctrico
Diám = 150 a 381 mm
En la última columna se indica el rango de diámetros de perforación correspondiente a cada
sistema, diferenciando entre minería subterránea y minería a rajo abierto. El orden de
precedencia, en cada caso, indica aplicación preferente en la primera situación anotada con
respecto a la segunda.

Según dureza de la roca

PERFORACIÓN POR PERCUSIÓN
Como ya fue señalado en el capítulo introductorio, la perforación por percusión se utiliza
tanto en minería subterránea como a rajo abierto, para barrenar rocas compactas de dureza
mediana a alta, de preferencia en el rango de diámetros menores y medianos; lo que explica
su presencia prácticamente exclusiva en las faenas subterráneas.
En la actualidad coexisten tres sistemas de perforación por percusión, que en orden de
aparición en el tiempo son los siguientes:
• Accionamiento neumático convencional o top-hammer.
• Accionamiento neumático down-the-hole (DTH)
• Accionamiento hidráulico, sólo top-hammer
A su vez, para cubrir la diversidad de situaciones que se presentan en la práctica, cada
sistema ha dado origen al desarrollo de variados equipos, tanto neumáticos como
hidráulicos. La correcta selección del equipo adecuado para una determinada aplicación,
requiere de un conocimiento y análisis cuidadoso de sus características funcionales, de las
especificaciones técnicas que controlan su eficiencia y del diseño y condiciones
operacionales de la excavación a realizar.
Atendiendo a lo anterior, el contenido o los temas a tratar en este punto se han ordenado de
modo de cubrir justamente los aspectos consignados más arriba, según el ordenamiento
siguiente:
• Descripción y funcionamiento
• Principios de perforación
• Prácticas de perforación

En suma, se trata de definir-a nivel académico- el marco teórico y práctico respecto a los
principales criterios que es necesario considerar para seleccionar el equipo de perforación
adecuado para la ejecución de una determinada excavación.
Descripción y funcionamiento
Sistema Top-Hammer
En la modalidad funcional convencional o top-hammer la
energía de impacto, generada por la máquina
perforadora, se transmite por la barra o columna de
barras. Esta energía se transfiere o aplica a la superficie
rocosa a través de la herramienta, conocida con el
nombre de "broca"o "bit".
En la medida que aumenta la longitud de la perforación,
disminuye la cantidad de energía que se transfiere a la
roca, debido a las pérdidas que se producen
especialmente en el acoplamiento o uniones entre las
barras que conforman la columna.
Sistema Down-The-Hole
En la modalidad funcional DTH, el mecanismo de
percusión, conocido con el nombre de martillo, se ubica
en el fondo de la perforación. La energía de impacto se
aplica directamente a la herramienta, sin pérdidas en las
uniones de las barras. El aire comprimido se inyecta por
el interior de la columna de barras.
En este caso, teóricamente al menos, la eficiencia del
proceso es independiente de la longitud de la perforación,
principal fortaleza de este sistema.

Sistema y equipos neumáticos de percusión versión TOP-HAMMER
La aplicación de un sistema mecanizado de perforación, utilizando aire comprimido como
fuente de energía, se inicia a partir de los años 1860 en Europa (Suiza) en la versión
convencional o top-hammer, manteniéndose como el único hasta principios de la década de
los '50 del siglo pasado, cuando aparece el sistema DTH. Con posterioridad, a mediados de
los años 70, aparecen las primeras máquinas perforadoras accionadas hidráulicamente.
En la actualidad, el accionamiento neumático en su versión convencional, sólo se utiliza casi
exclusivamente con perforadoras livianas, hasta 40 kilos, que pueden ser operadas
manualmente.
Así es como trabajan las perforadoras neumáticas de percusión
Barrido Impacto Fuerza de avance Rotación
Principios de funcionamiento
La máquina perforadora consiste en un cilindro al interior del cual se desplaza un martillo-
pistón alternativamente en ambos sentidos. Este pistón, accionado por aire comprimido a una
presión de 6 a 7 [bar], golpea en su recorrido hacia adelante la parte posterior de la barrena
o columna de barras.

Entre golpe y golpe es necesario imprimir un pequeño giro (R), de modo que los filos de la
herramienta golpeen siempre sobre una nueva superficie y evitar así que se atasque.
Adicionalmente, es necesario también imprimir una fuerza de empuje (F) a todo el sistema,
con el propósito de optimizar el proceso de transmisión y aplicación de la energía de impacto
a la roca. Por último, el sistema debe incluir un dispositivo que permita la eliminación del
material o detritus producto de la trituración de la roca.
Principales componentes
• Mecanismo de percusión
• Dispositivo de distribución del aire
• Mecanismo de rotación
• Mecanismo de empuje o avance
• Dispositivo de barrido del detritus
• Dispositivo de lubricación

Mecanismo de percusión y dispositivo de distribución del aire

Mecanismo de rotación

Mecanismos de empuje o avance perforadoras manuales

Mecanismos de empuje o avance perforadoras livianas

Dispositivo de barrido – Perforadoras manuales
A medida que la perforación avanza, es indispensable eliminar el detritus que se va
generando por la acción percusiva de la herramienta sobre la roca. De lo contrario, gran
parte de la energía de impacto se perdería en sobre-fragmentar inútilmente los trocitos de
roca, además del efecto amortiguante del material acumulado que termina anulando
totalmente la eficiencia del sistema.
La eliminación de este material se efectúa inyectando aire o agua. En minería subterránea,
por razones obvias, sólo se permite el barrido con agua. En las perforadoras manuales el
agua se introduce por un tubo central de acero que recorre longitudinalmente la máquina,
que aquí en Chile los mineros denominan "bombilla". Este tubo encaja en la parte posterior
de la barra, y el agua sigue su recorrido por un conducto interior hasta alcanzar el fondo del
tiro a través de unos orificios especialmente dispuestos en la herramienta de perforación o
"bit".
Para evitar los escapes, las máquinas que utilizan este sistema se construyen de modo que
la presión del aire comprimido actúe también sobre aquellos lugares que recorre el agua.
Mientras la presión del aire sea mayor que la presión del agua, no hay problemas; de lo
contrario, el agua inundaría la máquina lavando el aceite de lubricación con las
consecuencias fáciles de imaginar.
Dispositivo de lubricación – Perforadoras livianas
El sistema utilizado consiste en incorporar aceite finamente pulverizado en la corriente de
aire comprimido. En las máquinas manuales, el aparato para inyectar el aceite consiste en un
pequeño depósito de lubricante que se intercala en la manguera de aire que alimenta a la
máquina. Los mineros aquí en Chile lo conocen con el nombre de "pato". El sistema opera
según el principio del "tubo de venturi", de modo que el aceite es succionado por efecto de la
depresión generada al paso del chorro de aire por un tubo de menor diámetro. El aceite se
atomiza y es transportado en suspensión a la máquina.

El depósito debe ubicarse a una distancia no mayor a 3 m de la perforadora; de lo contrario,
el aceite lubricante tiende a depositarse en la manguera y el suministro se hace intermitente.
Se debe verificar periódicamente el nivel del aceite en el depósito, como asimismo
comprobar que el "pato" esté entregando aceite colocando la mano en el escape de la
máquina.

Perforadoras livianas o manuales – Características técnicas

Herramientas de perforación – Perforadoras livianas o manuales

Equipos de perforación neumáticos – Minería a rajo abierto

Sistema y equipos neumáticos de percusión versión DTH

Martillos y herramientas de perforación

Equipos de perforación DTH – Minería subterránea

Equipos de perforación DTH – Minería a rajo abierto

Sistema y equipos hidráulicos de percusión (sólo top-hammer)
PRINCIPIOS DE FUNCIONAMIENTO
Accionamientos y/o dispositivos principales
• Mecanismo de percusión
• Dispositivo de distribución del aceite a presión, permite regular la carrera del pistón
• Mecanismo de rotación
• Dispositivo de absorción de la fuerza de reacción del impacto (acumuladores de
nitrógeno)
• Dispositivo de barrido del detritus
• Dispositivo de lubricación
Sistema de perforación electro-hidráulico

Máquina de perforación hidráulica

Equipo electro-hidráulico – Perforación frontal para galerías y túneles
Principales componentes

Desarrollo de túneles de gran sección – Jumbo de perforación electro-hidráulico

Desarrollo de túneles de gran sección – Área de cobertura

Equipos electro-hidráulicos – Perforación radial de producción

Equipos hidráulicos de perforación – Brazo (boom) y avances (feed)

Equipos hidráulicos de perforación

Herramientas o aceros de perforación

Barras de perforación

Combinaciones de aceros de perforación

Equipos de perforación hidráulicos – Minería a Rajo Abierto

PERFORACIÓN POR PERCUSIÓN
Eficiencia y Rendimientos del Sistema
La eficiencia de un sistema de perforación se evalúa o expresa en términos de la velocidad
de avance o velocidad instantánea de penetración, entendiéndose por velocidad instantánea
a aquella que se mide en un intervalo de tiempo pequeño, por ejemplo: 60 [cm/min].
Si se trata de períodos más largos, por ejemplo 1 hora, se debe utilizar más bien el concepto
de rendimiento, que involucra además otros factores relacionados con las condiciones
locales y/o particulares de cada excavación o faena, que escapan por ahora a los alcances
de este análisis.
Factores principales
Para un mismo diámetro de perforación los factores que controlan la eficiencia del sistema
son los siguientes:
• Características de potencia de la máquina perforadora
• Transmisión de la energía a la roca
• Aplicación de la energía a la roca
La velocidad de penetración (Va) representa en última instancia el volumen de roca que
puede ser removido por unidad de tiempo para un determinado diámetro del "bit". Este
volumen removido depende a su vez de la cantidad de energía que se transmite desde el
pistón a la barrena durante esa misma unidad de tiempo.

Características de potencia de la máquina
La velocidad de avance o velocidad instantánea de perforación es directamente proporcional
a la potencia de la máquina.
La evaluación de la energía de impacto del pistón al final de su carrera hacia adelante
(carrera útil), puede obtenerse matemáticamente a partir de la ecuación general que describe
su movimiento.
Para una perforadora neumática, aceptando algunas simplificaciones, se supone que la
presión del aire comprimido se mantiene constante durante la carrera útil del pistón,
asignándole un valor promedio. La figura siguiente muestra la evolución real que experimenta
la presión del aire en ambos lados del cilindro.
Además, se hace la suposición que la aceleración del pistón es también constante durante su
carrera, e igual en ambos sentidos.
De este modo, la energía de impacto (w0) queda dada por la siguiente expresión:
w0 = 0,5 P A L [kgm/golpe]
Luego, la potencia:
Wo = 0,5 P A L N [kgm/min]
Donde:

• P es la presión manométrica del aire a la entrada del cilindro, equivalente 6 [kgp/cm2
]
• A es el área de la cara frontal del pistón o área del cilindro de la máquina [cm2
]
• L es la carrera del pistón [m]
• N es la frecuencia de impactos [golpes/min]
Los manuales y catálogos de los fabricantes incluyen las características constructivas de sus
equipos en cuanto a diámetro del pistón (D), carrera (L) y frecuencia de impactos (N).
Cuando se trata de perforadoras accionadas hidráulicamente, los fabricantes indican en sus
manuales y catálogos lo que en inglés denominan impact power expresada en [KW], y
también la frecuencia de impactos expresada en (Hz). Para evitar confusiones, es preciso
aclarar que la expresión impact power corresponde a la energía que desarrolla la máquina
por unidad de tiempo [seg] -1 [Watt] = 1 [Joule/seg] - y no a la energía por golpe [kgm/golpe]
como se acostumbra expresarla en el caso de las perforadoras neumáticas.
Por otra parte, cabe señalar, además, que en el caso de las perforadoras hidráulicas el fluido
que acciona la máquina (aceite) trabaja a presiones del orden de los 150 a 250 [kgp/cm2
].
Transmisión de la energía
La energía se transmite por la columna de barras en la forma de una onda de fatiga u onda
de compresión. Parte de esta energía se pierde en este proceso, aproximadamente un 30 %
en condiciones normales de operación.
Al producirse el impacto del pistón contra la parte posterior de la barrena se crea en ella una
perturbación. Las partículas del sólido que reciben el golpe experimentan un desplazamiento
o, dicho en otra forma, experimentan una variación de velocidad (∆V). Por otra parte, una
variación repentina de la velocidad de las partículas en un sólido genera una variación de
tensión (∆T) o de la fatiga (∆σ). El sólido se deforma y dicha deformación se propaga
progresivamente a todas sus partículas.

La energía asociada a una onda de fatiga en un sólido elástico tiene dos componentes:
• Energía cinética de las partículas que se desplazan al paso de la onda con velocidad
"v":
Ek = ½ A c τ ρ v2
• Energía elástica o de deformación almacenada en la onda.
Ee = ½ A c τ ρ σ2
/ E
• Energía total:
ET = Ek + Ee
Por otra parte, resulta fácil demostrar que [Ek = Ee], luego:
Donde:

La forma de la onda de fatiga depende de la geometría del pistón, y en lo esencial -
simplificando mucho las cosas- de la relación entre el área del pistón (Ap) y el área de la
barrena (Ab).
En el caso de las perforadoras neumáticas Ap > Ab, y la onda de fatiga (compresión) que se
transmite por la barra tiene un perfil triangular con un pea/c de fatiga alto. En cambio, en las
perforadoras hidráulicas, Ap ≈ Ab y la longitud del pistón es bastante mayor, de modo que la
onda de fatiga toma una forma rectangular plana y alargada, de bajo perfil.
El área achurada representa la energía que se trasmite en cada impacto. Al comparar las
áreas correspondientes, se concluye que una perforadora hidráulica puede trasmitir una
energía por golpe bastante mayor, sin sobrepasar el límite de resistencia a la fatiga de las
barras, lo que se traduce en una velocidad de penetración muy superior.
Aplicación de la energía
No existe en la actualidad un modelo satisfactorio y coherente que simule el fenómeno de
interacción entre la herramienta y la roca. El proceso mismo de penetración o de
fragmentación de la roca por efecto de la aplicación de un pulso de fatiga a través de una
herramienta de geometría compleja, es un fenómeno demasiado aleatorio o caótico,
imposible de modelar con un grado de fidelidad confiable.
En consideración a lo anterior, se tratará de explicar cualitativamente al menos algunos
conceptos y principios que intervienen o inciden en el fenómeno.

Indentación
Se llama indentación al proceso de fracturamiento de la roca por el efecto de penetración de
una herramienta con forma de cuña mediante la aplicación de golpes sucesivos.
Para una aproximación al menos cualitativa al problema, supongamos que se realiza una
experiencia consistente en golpear sucesivamente una superficie rocosa mediante una
simple traslación paralela de una herramienta provista de un solo filo. Como resultado de
esta experiencia, es posible obtener un gráfico que representa el volumen de roca removido
por dos golpes sucesivos en función de la distancia entre dichos golpes. La unidad de
medida corresponde al volumen removido por un golpe aislado.
Si la distancia tiende a cero, significa que el filo golpea dos veces en la misma posición, y el
volumen removido es solamente un poco mayor que 1. En el otro extremo, si la distancia es
muy grande, no existe interacción entre los golpes y el volumen removido tiende a 2. Sin
embargo, si los golpes son cercanos, se produce interacción y el núcleo central de roca se
rompe, resultando un volumen removido que podría incluso ser mayor de 3.

La situación descrita depende en lo esencial de las propiedades de la roca; vale decir, de la
mayor o menor resistencia que oponga al poceso de penetración. En rocas que presentan
mayor resistencia a fragmentarse, la ruptura del núcleo central sólo ocurrirá cuando la
distancia entre los golpes es pequeña; por el contrario, en rocas que ofrecen menor
resistencia, se obtiene ese mismo efecto con golpes más distanciados.
Grado de rotación
En la situación real la aplicación de los impactos sucesivos corresponde a una rotación en
torno a su punto central y no a una traslación paralela del filo. Se define como grado de
rotación óptimo o ideal a aquél que permite avanzar una profundidad "e" cuando el filo barre
o recorre una sola vez el fondo del tiro, con un mínimo de golpes. Este giro se puede
expresar en grados (α0) o también como fracción de vuelta (x0).
En los sistemas neumáticos de percusión, el grado de rotación óptimo se ubica en un rango
entre 1/40 y 1/20 de vuelta; vale decir, entre 9 y 18 grados según las características de la
roca.
Fuerza de empuje
La fuerza de empuje que es necesario aplicar al sistema cumple básicamente las siguientes
funciones:
1°) Contrarrestar la fuerza que ejerce el fluido a presión en la parte posterior del cilindro de
la máquina. Así, en el caso de una perforadora neumática, la situación sería la mostrada en
la figura.

2°) Contrarrestar la fuerza de reacción de la roca, de acuerdo con el principio acción -
reacción.
La fuerza de empuje (F) se aplica en forma permanente; en cambio, la reacción (R) actúa
durante un intervalo de tiempo muy pequeño, equivalente al período o duración del pulso de
fatiga (i) que se propaga por la barra y se transfiere a la roca.
3°) Optimizar el proceso de aplicación de la energía.
Según el modelo aceptado en la actualidad, la energía de impacto se transmite por la barra
en la forma de un pulso de fatiga (compresión). Dicha energía se aplica por intermedio de la
herramienta, la cual debe mantenerse permanentemente presionada contra la roca para que
el proceso de transferencia de la onda de fatiga resulte eficiente.
En tal sentido, los ensayos demuestran que cuando la fuerza de empuje es demasiado baja,
se produce una sobre-rotación de la herramienta (α >> α0) lo que incide negativamente en la
velocidad de penetración. Por el contrario, si la fuerza aplicada es muy grande, la rotación
tiende a reducirse, situación que también puede conducir a una operación ineficiente; incluso
la herramienta podría atascarse, con la consiguiente pérdida de tiempo y eventualmente la
pérdida de la herramienta.
En suma, para cada combinación perforadora-roca, existe una fuerza de empuje óptima que
maximiza la velocidad de penetración. En la figura se muestran los resultados obtenidos de
ensayos realizados en una roca de mediana dureza, con una perforadora neumática manual
de las siguientes características:

La observación del gráfico permite apreciar -para este caso en particular-que la velocidad de
avance (Va) máxima se obtiene para una fuerza de empuje (F) comprendida
aproximadamente entre 70 y 130 [kgp], dependiendo de la presión de trabajo del aire
comprimido.
Velocidad de avance vs. propiedades de la roca
La velocidad de penetración o velocidad de avance depende de la "dureza" de la roca. Por lo
tanto, es preciso definir qué se entiende por dureza de la roca para los efectos del proceso
que aquí se analiza.
En una primera aproximación, parece obvio caracterizar la dureza de la roca por alguna de
sus propiedades físico-mecánicas, tales como densidad, resistencia a la compresión,
resistencia a la tracción, módulos elásticos u otras. Sin embargo, lo observado en la práctica
indica que en el caso de un sistema de perforación por percusión, ninguna de estas
propiedades correlaciona de modo confiable con la velocidad de avance.
Una metodología que permite una estimación bastante aceptable se basa en el ensayo
conocido con el nombre de coeficiente de resistencia de la roca (CRS), conjuntamente con el
concepto de energía específica.

Coeficiente de resistencia de la roca (CRS)
Se trata de un ensayo que consiste en impactar trozos de la roca (≈ 15 cm3
) con un número
variable de impactos (3 a 40), dejando caer sobre ellos una masa de 2,4 kg desde una altura
de 0,6 m.
El producto resultante, correspondiente a cada número de impactos, se pasa por un tamiz de
0,5 mm (35 mallas) y se pesa la fracción menor a 0,5 mm. Conocida la densidad de la roca
se determina el volumen, y se gráfica el resultado del modo siguiente:
Lo observado en la práctica indica que existe una buena correlación entre la velocidad de
avance y el índice CRS. Según la dureza de la roca, el CRS alcanza valores comprendidos
entre 0,5 a 2,5.
Energía específica (Ev)
La energía que se trasmite y aplica a la roca se consume en remover un cierto volumen de
material. Se define así el concepto de energía específica (Ev) como la energía requerida para
remover la unidad de volumen de roca y se expresa en [kgm/cm3]. Se puede establecer por
lo tanto la siguiente relación:
Donde:

Despejando Ev se obtiene:
Para las rocas de mayor ocurrencia en las faenas mineras Ev alcanza valores comprendidos
entre 10 a 40 [kgm/cm3].
Correlación entre el CRS y Ev
Investigaciones realizadas han demostrado experimentalmente que existe una buena
correlación entre el Coeficiente de Resistencia de la Roca (CRS) y la Energía Específica
(Ev), la cual puede ser expresada por intermedio de la siguiente relación empírica:
De este modo, para fines de proyecto, cuando todavía no resulta posible acceder al
yacimiento y medir directamente la velocidad de perforación, se pueden someter al ensayo
CRS muestras de testigos de los sondajes de reconocimiento realizados durante la etapa de
estimación de reservas del yacimiento.
Luego, a partir de la expresión del balance de energía, ya formulada anteriormente,
y determinando Ev por su correlación con el CRS, se puede estimar la velocidad de
penetración despejando (Va) de la expresión anterior:
Donde:

Rendimientos
A partir de la velocidad instantánea de penetración (Va) se pueden estimar los rendimientos
posibles de alcanzar; vale decir, los metros perforados en una unidad de tiempo igual o
mayor a una hora. Tales rendimientos son en definitiva los que determinan el costo del metro
barrenado (US$ / m). El tratamiento del tema no se puede conceptualizar dado la gran
diversidad de situaciones que se presentan en la práctica. Se debe analizar caso a caso,
atendiendo a las condiciones particulares de la faena y a las características específicas de
cada excavación.

PRÁCTICAS DE PERFORACIÓN
Desarrollo de galerías y/o túneles

Excavación de chimeneas

Arranque en minas subterráneas

Arranque en minas a cielo abierto

PERFORACIÓN POR ROTACIÓN
Introducción
El principio utilizado por este sistema consiste en aplicar energía a la roca haciendo rotar una
herramienta (trépano) conjuntamente con la acción de una gran fuerza de empuje (Fig. 3.1).
En la práctica minera, este sistema de perforación presenta tres variantes según el tipo de
herramienta utilizado:
• Rotación con trépano cortante
• Rotación con trépano triturante
• Rotación con herramienta abrasiva

El primero fue usado originalmente en la perforación de pozos petrolíferos, pero limitado sólo
a formaciones rocosas más bien blandas. En los inicios del siglo XX aparecen los primeros
trépanos provistos de rodillos indentados que ruedan sobre el fondo del hoyo, ejerciendo una
acción triturante sobre la roca, capaces de perforar formaciones rocosas de dureza mediana.
Su diseño evoluciona rápidamente hasta la herramienta conocida con el nombre de tricono.
A principios de los años '50 esta tecnología se empieza a aplicar en los primeros equipos
rotativos diseñados para realizar perforaciones de tronadura en minas a cielo abierto.
Innovaciones posteriores, principalmente en lo que dice relación con el diseño de estos
triconos y la calidad de los aceros utilizados en su fabricación, le dan hoy en día a este
sistema una gran versatilidad. Se aplica tanto en rocas blandas como muy duras, sin
restricciones en cuanto a la longitud de los tiros. Su única limitación es el diámetro de
perforación. Por razones que se explicarán más adelante, este sistema no se aplica en
diámetros menores a 150 mm para fines de fragmentación de rocas.
La perforación rotativa con una herramienta abrasiva - corona de diamantes o diamantina
como se le conoce en la terminología minera- se utiliza exclusivamente para sondajes
destinados a la recuperación de testigos de roca con fines de exploración y/o reconocimiento
de un cuerpo mineralizado, tema que no está incluido en los alcances de este curso.

Descripción general del equipo

Accionamientos principales
• Mecanismo de rotación o motor de rotación
• Sistema o mecanismo de empuje
• Mecanismo de izamiento
• Sistema de barrido con aire comprimido
• Accionamientos hidráulicos, mástil y patas de apoyo
• Mecanismo de propulsión o desplazamiento
• Dispositivo de extracción de polvo
• Otros de menor importancia
Montaje y propulsión
Se utilizan dos sistemas de montaje: sobre orugas o sobre neumáticos (camión). Los factores
que influyen en la elección son las condiciones del terreno y principalmente el grado de
movilidad requerido. Mientras están perforando, estos equipos se apoyan sobre tres o cuatro
patas hidráulicas, que además de soportar su peso sirven para nivelar la máquina.
El montaje sobre orugas se utiliza preferentemente en las grandes minas a cielo abierto,
donde los requerimientos de movilidad son escasos. Su limitación en cuanto a menor
velocidad de traslación, 2 a 3 km/hr, es poco relevante cuando el equipo permanece durante
largos períodos de tiempo operando en un mismo banco o sector de la mina.
En faenas de tamaño mediano, donde se requiere un desplazamiento más frecuente y ágil
del equipo, se prefiere el montaje sobre neumáticos. Estos equipos van montados sobre un
camión de dos o tres ejes los más livianos, y sólo los de mayor tamaño se construyen sobre
un chassis de cuatro ejes. Su velocidad media de desplazamiento es del orden de diez veces
mayor, 20 a 30 km/hr.

Unidad de potencia
La fuente primaria de potencia utilizada por estos equipos puede ser eléctrica o motores
diesel, y su aplicación se realiza mediante mecanismos de transmisión mecánicos e
hidráulicos. Los equipos que perforan diámetros superiores a 9 pulgadas, grandes minas a
rajo abierto, por lo general son alimentados por energía eléctrica, corriente alterna de
mediano voltaje (380 - 500 Volt), suministrada a la máquina mediante un cable que la
conecta con sub-estaciones ubicadas al interior del rajo. Se les denomina equipos full-
electric.
En el caso de perforadoras de menor tamaño, montadas sobre un camión, la fuente de
energía es uno o dos motores diesel. En el primer caso, se trata del mismo motor que
acciona el vehículo; pero en la actualidad se prefiere, por su mayor eficiencia, la segunda
configuración, dada las diferentes características de los motores requeridos. También existen
versiones diesel-eléctricas, diseñadas para minas de gran producción que no disponen de
suministro de energía eléctrica.
Mecanismo de rotación
El torque de rotación se transmite a la herramienta por intermedio de la columna de barras.
El accionamiento del sistema lo provee un motor eléctrico o hidráulico montado sobre el
cabezal deslizante.
En los equipos de mayor tamaño, full-electric, se utiliza preferentemente un motor eléctrico
de corriente continua con su eje en posición vertical, que permite una fácil regulación de la
velocidad de rotación en un rango entre O a 150 rpm. Los equipos montados sobre un
camión, con unidad de potencia diesel, utilizan un motor hidráulico que opera en circuito
cerrado con una bomba de presión constante y un convertidor de torque, que permite variar
la velocidad de rotación.
Mecanismo de empuje
Para obtener un efecto de penetración eficiente es preciso aplicar una fuerza de empuje que
depende de la resistencia de la roca y del diámetro de perforación. Prácticamente, casi sin
excepciones, esta fuerza de empuje se obtiene a partir de un motor hidráulico. Existen varios
sistemas, entre los cuales los más utilizados son los que se describen conceptualmente en
las figuras siguientes (Fig. 3.2).
Por lo general el mecanismo de empuje está diseñado para aplicar una fuerza del orden de
un 50 % del peso de la máquina, y los equipos de mayor tamaño que operan hoy en día
alcanzan un peso de hasta 120 toneladas. El sistema, además, permite accionar el izamiento
de la columna de barras, a velocidades de elevación del orden de 20 metros por minuto.

Sistema de barrido
El barrido del detritus de la perforación se realiza con aire comprimido, para lo cual el equipo
está dotado de uno o dos compresores ubicados en la sala de máquinas. Mediante un tubo
flexible se inyecta el flujo de aire -a través del cabezal de rotación-por el interior de la
columna de barras hasta el fondo del pozo. Dependiendo de la longitud de los tiros, la
presión requerida se ubica en un rango de 2 a 4 [Bar].
Herramientas de perforación
Existen básicamente dos tipos de herramienta: trépanos cortantes y trépanos triturantes. Los
primeros consisten en una herramienta provista de elementos aguzados, con filos de
diversas geometrías, que ejercen sobre la roca una acción de corte o desgarre. Su aplicación
es sólo posible en formaciones rocosas blandas o semiconsolidadas, tales como material de
relleno fluvial, suelos u otros. Los trépanos triturantes están conformados por tres rodillos
endentados, de forma cónica, que ruedan sobre el fondo del pozo, fracturando la roca por un
proceso de indentación y corte.
En las aplicaciones mineras con fines de fragmentación de rocas, en la actualidad se utilizan
exclusivamente los trépanos triturantes, conocidos con el nombre de triconos. Aunque la
introducción de esta herramienta se remonta a los primeros años del siglo XX (1910) en la
perforación de pozos petrolíferos, sólo a partir de los años '60 -cuando aparecen los primeros
equipos rotativos en las grandes minas a cielo abierto-se inicia una investigación y desarrollo
muy intensivo en cuanto a su perfeccionamiento tanto en calidad como en su diseño.

En un principio los triconos sólo eran aplicables en formaciones rocosas más bien blandas a
medianas; vale decir, rocas de baja resistencia a la compresión. Hoy en día, gracias a las
innovaciones introducidas, este sistema de perforación rotativa predomina sin contrapeso en
la minería a rajo abierto de gran tamaño, tanto en rocas blandas como incluso muy duras, en
el rango de diámetros de perforación superiores a 175 mm. Así, por ejemplo, aquí en Chile
actualmente del orden de un 80 % de la producción de cobre proviene de faenas que aplican
esta práctica de perforación.
Se fabrican dos tipos de triconos: con dientes estampados y con insertos de carburo de
tungsteno. Los primeros son los más antiguos, con un campo de aplicación restringido a
rocas blandas y medianas. Los de insertos son capaces de perforar hasta rocas muy duras,
pero tienen un precio del orden de cinco a uno en relación con los anteriores, relación que es
compensada por su mayor vida útil.
El efecto de penetración de un tricono se obtiene por la aplicación combinada de dos
acciones:
• Indentación
• Corte
Los dientes o insertos del tricono, al rodar sobre el fondo, penetran o se entierran en la roca
por la aplicación de una gran fuerza de empuje. Esta acción es la que produce la trituración
de la roca.
También, por efecto de un desplazamiento lateral de los rodillos, como se explicará más
adelante, se consigue una acción de corte o desgarre de la roca.
Esta segunda acción de corte o desgarre se incorpora cuando se trata de triconos diseñados
para perforar rocas blandas a medianas, de menor resistencia a la compresión.

Trépanos triturantes o triconos

Criterios de diseño
El diseño de los triconos, en lo esencial sus parámetros geométricos, es función de las
propiedades de la roca (Figs. 3.4 y 3.5).
a) Geometría de los conos
b) Excentricidad

c) Tamaño y disposición de los dientes e insertos
Selección del tipo de tricono
Los fabricantes de triconos le ofrecen a los usuarios diferentes alternativas de diseño según
la dureza de la roca. Así, por ejemplo, la empresa HUGHES TOOL Co. de los EE.UU., la más
antigua en este rubro y la primera que introdujo esta herramienta en el mercado, comercializa
los productos que se incluyen en los cuadros siguientes.:

Variables de operación
Las variables de operación inherentes al sistema, que inciden en su eficiencia (velocidad de
penetración), son las que se identifican a continuación:
• Velocidad de rotación (rpm)
• Fuerza de empuje
• Diámetro de perforación
• Velocidad y caudal del aire de barrido
• Desgaste de los trépanos
A su vez, estas variables dependen de un factor externo al sistema: la dureza o resistencia
de la roca. En el caso de la perforación rotativa, la evidencia empírica indica -tanto a partir de
las investigaciones a nivel de ensayos como de lo observado en la práctica- que existe una
buena correlación entre la Resistencia a la Compresión de la roca y la velocidad de
penetración. Esta conclusión resulta conceptualmente coherente, atendiendo a la forma
como se aplica la energía a la roca y su consiguiente ruptura originada principalmente por un
proceso de indentación.
No existe una clasificación universalmente aceptada de las rocas en función de su
resistencia a la compresión (Sc). En la literatura técnica sobre el tema se encuentran
diversas proposiciones. Algunas muy simples, que sólo diferencian entre rocas blandas,
medianas y duras. Otras más sofisticadas, incluyen hasta seis o siete categorías. Haciendo
una síntesis, para los efectos del análisis que sigue, se adoptará la clasificación que se
enuncia en el cuadro siguiente.
Velocidad de rotación
La velocidad de rotación (N), expresada en [rpm], es inversamente proporcional a la
resistencia a la compresión de la roca (Sc). En la tabla siguiente se indican las velocidades
observadas en la práctica para los diferentes tipos de rocas identificados previamente.

Ahora, según el tipo de dientes, esta velocidad de rotación varía en un rango de 60 a 120
rpm para los triconos con dientes estampados, y entre 40 a 80 rpm en el caso de los triconos
con insertos.
Fuerza de empuje y diámetro de perforación
La fuerza de empuje (F) que es necesario aplicar aumenta directamente con la dureza de la
roca, y debe alcanzar una magnitud suficiente para sobrepasar su resistencia a la
compresión. Por otra parte, esta fuerza no puede exceder un determinado valor límite, para
evitar daños prematuros en el trépano. En formaciones rocosas duras o muy duras, una
fuerza excesiva conduce a la destrucción de los rodamientos, lo que significa el término de la
vida útil de la herramienta.
A su vez, la mayor o menor resistencia de los rodamientos depende del tamaño del trépano
o, en último término, del diámetro de perforación (0). A mayor diámetro, más grande es el
trépano y por consiguiente más robustos y resistentes son sus rodamientos. En suma, la
fuerza de empuje es función de dos variables: la dureza de la roca y el diámetro de
perforación.
Según la dureza de la roca, la fuerza de empuje mínima necesaria para vencer su resistencia
a la compresión, está dada por la siguiente fórmula empírica:
donde:
Sc Resistencia a la compresión de la roca [MPa]
∅ Diámetro de perforación [pulg]
La fuerza de empuje se acostumbra a expresarla en libras-peso [Ibp] por unidad de diámetro
del trépano, expresado en pulgadas (∅"). En la tabla siguiente se comparan los valores
mínimos que resultan de aplicar la fórmula anterior con los valores observados en la práctica
minera según la dureza de la roca.

Por otra parte, también se ha obtenido una fórmula empírica que permite estimar la fuerza de
empuje máxima que soportan los rodamientos de un tricono, en función del diámetro de
perforación (∅).
Si se hace el ejercicio de asignarle valores numéricos a la fórmula anterior, redondeando las
cifras, se obtienen los resultados que se indican en la tabla siguiente.
Los resultados anteriores permiten explicar la razón por la cual la perforación rotativa no se
aplica en la práctica en diámetros menores a 175 mm (aprox 7"), salvo en rocas blandas o
muy blandas. En efecto, en una roca mediana a dura se requiere una fuerza (F’) del orden de
5.000 a 6.000 [Ibp/" de ∅]; vale decir, 30.000 a 36.000 [Ibp] para un tricono de 6 pulgadas,
siendo su límite de resistencia del orden de 29.000 [Ibp].

Velocidad y caudal del aire de barrido
El aire comprimido, que se inyecta por el interior de la columna de barras hacia el fondo del
barreno, cumple los siguientes objetivos:
• Remoción o barrido del detritus desde el fondo del tiro.
• Extracción del detritus hacia afuera.
• Refrigeración y lubricación de los rodamientos del tricono.
El barrido y extracción del detritus de perforación se realiza a expensas de la energía cinética
del aire que circula por el espacio anular comprendido entre las barras y las paredes del
pozo. Por lo tanto, la eficiencia del proceso depende, en lo esencial, de la velocidad del aire
(V) en este espacio anular y de la masa de aire o caudal (Q) que circula por el sistema.
Por otra parte, la refrigeración de los rodamientos se obtiene por efecto de la expansión o
caída de presión (AP) que se produce durante el paso del aire por el tricono, que a su vez
depende de la presión (P) con que llega el aire a la herramienta.
a) Velocidad del aire
La velocidad ascencional mínima para la extracción del detritus es función de la densidad de
la roca y del tamaño promedio de las partículas. Existen algunas fórmulas empíricas que
permiten estimar esta velocidad
.

o también,
donde:
En etapa de proyecto, las fórmulas anteriores tienen escasas posibilidades de aplicación,
dado las dificultades para obtener datos confiables acerca del tamaño promedio del detritus
de perforación.
No obstante, según la práctica minera, las velocidades de aire recomendadas atendiendo al
tipo de roca, son las que se indican en la tabla siguiente:
La velocidad ascencional máxima indicada obedece al problema de desgaste de las barras o
tubos de perforación. El flujo de aire que circula por el espacio anular Ileva en suspensión un
material que puede ser altamente abrasivo, especialmente si hay presencia de cuarzo u otros
minerales de gran dureza, como ocurre frecuentemente en la minería metálica. Es sabido
que en los fenómenos de flujo de material particulado, el desgaste por roce es proporcional al
cuadrado de la velocidad.
b) Caudal de aire
El caudal de aire de barrido (Q) se calcula a partir de la fórmula básica que lo relaciona con
la sección del ducto de circulación y con ¡a velocidad de flujo.
Q = Área de la sección transversal x Velocidad de flujo

En el caso que aquí se analiza, se obtiene las siguientes fórmulas según las unidades
utilizadas:
donde:
Otro factor a considerar en relación con este tema, es el área de la sección anular por donde
circula el aire o, planteado de manera más práctica, se trata de la diferencia entre el diámetro
de perforación y el diámetro exterior de las bañas [∅ - D]. Dado que a medida que aumenta
la resistencia de la roca el tamaño del detritus es más pequeño, la práctica operacional
aconseja adoptar los siguientes valores:
Por último, en este mismo orden de cosas, otros especialistas proponen que cuando la
resistencia a la compresión de la roca (Sc) es menor a 100 MPa, la proporción entre la
sección transversal del pozo y la sección del espacio anular debe ser de 2 a 1, lo que
equivale a una relación D/∅ igual a 0,7.
c) Presión del aire de barrido
Los resultados de las investigaciones realizadas por los fabricantes, indican que la caída de
presión (AP) del aire al pasar por el tricono -requerida para una adecuada refrigeración de
sus rodamientos- se ubica en un rango de 30 a 50 [psi], lo que equivale a 2,1 y 3,5 [bar]
respectivamente. Si se suma la pérdida de carga que experimenta el flujo de aire entre el
compresor y la herramienta, estimada en unas 10 [psi], se concluye que el valor promedio de
la presión manométrica requerida a la salida del compresor es del orden de 3,5 [bar].

Esta presión final incide significativamente en el consumo de energía del compresor, y en
último término en el costo de operación del equipo. Tal como se verá más adelante, lejos el
mayor consumo de energía de las perforadoras rotativas se origina en el suministro de aire
comprimido para la extracción del detritus.
Desgaste del tricono
Cuando se utilizan triconos con dientes estampados, la velocidad de penetración disminuye
considerablemente a medida que aumenta el desgaste de la herramienta.
En la figura 3.7 se aprecia que, a la mitad de la vida útil del tricono (50 %), la velocidad de
penetración se ha reducido, aproximadamente, entre un 50 a un 75 % con respecto a la
alcanzada con una herramienta nueva.
Consumos de energía
Cuando la máquina está perforando los principales consumos de energía son los vinculados
a los siguientes accionamientos:
• Rotación
• Fuerza de empuje
• Barrido y extracción del detritus
• Otros accionamientos menores
Energía consumida por la rotación
Para hacer rotar la columna de barras (Fig. 3.8), es preciso aplicar una fuerza tangencial (F).
La energía consumida en un giro (Er) es igual al producto de la fuerza por el camino
recorrido:
donde T es el torque (R x F) de rotación [kgm]. Si se considera como unidad de tiempo 1
[min], la potencia requerida (Wr) será por lo tanto igual a:

donde N es el número de vueltas por minuto [rpm] o velocidad de rotación, que es
inversamente proporcional a la dureza de la roca (Sc).
La fórmula anterior da cuenta de la energía consumida en el fondo del pozo. En el caso de
un equipo full-electric, para obtener la potencia aplicada en el motor de rotación (WMR), es
preciso incorporar el rendimiento mecánico de la transmisión (ηm) y el rendimiento eléctrico
(ηe) del motor. Expresada esta potencia en [HP], se obtiene:
donde:

En la literatura técnica se encuentran gráficos, como el de la figura 3.9, que indican la
potencia requerida en función del diámetro de perforación (∅) y de la dureza de la roca.
Energía consumida por el sistema de empuje
La penetración de la herramienta requiere la aplicación de una gran fuerza de empuje (F); no
obstante, la energía consumida por este accionamiento es pequeña comparada con la
rotación.
Suponiendo que en un giro el tricono avanza una longitud h (Fig. 3.10), la energía consumida
en una vuelta (Ee) será igual al producto de la fuerza [kgp] por el camino recorrido [m].
Luego, si se elige como unidad de tiempo 1 [min], la potencia requerida (We) será igual a:

donde Va es la velocidad de avance expresada en [m/min]. En la práctica minera, en un
rango de diámetros de 8 a 12 pulgadas (200 a 300 mm) y en rocas medianas a duras (Sc
80 a 200 Mpa), se registran velocidades del orden de 20 a 10 [m/hr].
Ahora, al igual que en la situación anterior, esta energía es la consumida en el fondo del
barreno. En el caso de los equipos full-electric, por lo general el mecanismo de empuje es
accionado por un motor hidráulico, que tiene detrás una bomba más un motor eléctrico que
acciona dicha bomba. Por lo tanto, es preciso considerar el rendimiento mecánico de las
transmisiones (ηm), el rendimiento hidráulico del motor de empuje (ηh), el rendimiento de la
bomba (ηb) y el rendimiento eléctrico (ηe) del motor que acciona la bomba.
Así, la potencia aplicada en la fuerza de empuje (WE), expresada en [HP], será:
donde:
En el gráfico de la figura 3.11, obtenido de la literatura técnica, se observa que la potencia
requerida para la fuerza de empuje es del orden de un 10 % de la requerida para la rotación.

Energía consumida en el aire de barrido
Los equipos de perforación rotativa están dotados de uno o dos compresores que
suministran el aire comprimido necesario para el barrido y extracción del detritus. La energía
consumida en un proceso de compresión depende, en lo esencial, de dos parámetros: la
presión final (P) y el volumen o caudal de aire libre (Q) que interviene en el proceso.
Por lo general se emplean compresores de tornillo de baja presión: 40 o 50 [psi],
equivalentes a 2,8 y 3,5 [Bar] respectivamente. Tal como fuera señalado con anterioridad
(3.4.3), la adecuada refrigeración de los rodamientos del tricono no requiere presiones
mayores. En cuanto a la capacidad o caudal, factor que incide directamente en la velocidad
del aire (energía cinética) que hace posible la extracción del material, se ubica en un rango
entre 10 y 50 [m3
/min], según el tamaño del equipo.
Haciendo una simplificación, en el sentido que el trabajo (Wis) de compresión del aire se
realiza mediante un proceso isotérmico teórico (Fig. 3.12), se tiene:
Reemplazando en la fórmula anterior los valores correspondientes a la situación práctica que
aquí se analiza, se obtiene:
donde:

Por ejemplo, a modo de ejercicio, se puede hacer la siguiente estimación:
Datos:
Cálculo:
El resultado anterior confirma lo anticipado, en cuanto a que el suministro del aire de barrido
es el sistema que consume la mayor cantidad de energía cuando el equipo está perforando
y, por lo tanto, gravita de modo significativo en el costo de operación.

Velocidad de penetración
Tanto en la etapa de ingeniería conceptual o estudio de prefactibilidad de un proyecto, y más
aún en la etapa de ingeniería básica o de factibilidad, es preciso estimar costos de operación;
entre los cuales, en una mina a rajo abierto, el costo de perforación es relevante. Cualquier
estimación pasa, inevitablemente, por hacerse la pregunta: ¿cuántos metros por hora
barrenará el equipo seleccionado para un determinado diámetro de perforación? La
respuesta no es trivial, sobre todo cuando aún no se dispone de suficiente información de los
tipos de roca e incluso de muestras representativas de todo el cuerpo mineralizado.
La velocidad de penetración depende no sólo de las variables y/o parámetros operativos del
sistema, si no que también, y de manera primordial, de las propiedades físico-mecánicas y
geomecánicas del macizo rocoso. Se recurre básicamente a dos metodologías para
aproximarse a la respuesta de la pregunta planteada en el párrafo anterior.
Fórmulas empíricas:
Cuando no se da la posibilidad de realizar ensayos de perforabilidad en muestras de roca, se
puede recurrir a fórmulas empíricas propuestas por diversos autores. Tales fórmulas
combinan algunas variables de operación del sistema con la resistencia a la compresión de
la roca (Se). Como ya fue señalado, en el caso de la perforación rotativa existe una buena
correlación entre la velocidad de avance (Va) y esta propiedad de la roca.
Ensayos directos:
Si se dispone de muestras de tamaño adecuado, las compañías fabricantes de tricónos
ofrecen a sus clientes ensayos a escala en sus "bancos de prueba", a partir de los cuales le
emiten un informe donde incluyen el tipo de tricono recomendado, velocidad de rotación y
fuerza de empuje adecuadas, velocidad de penetración estimada y posible vida útil de la
herramienta.
Velocidad de avance vs. Variables de operación
a) Velocidad de rotación
Mientras el barrido es perfecto, la velocidad de avance (Va) es linealmente proporcional a la
velocidad de rotación (Fig. 3.13).

En la práctica, a medida que Va aumenta, el barrido se torna ineficiente.
b) Fuerza de empuje
Mientras el barrido es perfecto, la velocidad de avance (Va) aumenta exponencialmente con
la fuerza de empuje (Fig. 3.14).
En la práctica, a medida que Va aumenta, el barrido se toma deficiente.

Velocidad de avance vs. Dureza de la roca
En la perforación rotativa, dado la forma en que se aplica la energía en la interfase
herramienta-roca, principalmente por una acción de indentación, un buen indicador para
estimar la velocidad de penetración es la resistencia a la compresión (Sc de la roca. Así lo
confirman tanto los ensayos a escala de "banco de pruebas" como la práctica operacional.
Una primera aproximación se puede lograr recurriendo al concepto de energía específica
(Ev), definida como la energía requerida para remover la unidad de volumen de roca, que se
expresa por lo general en [kgm/cm3]. En el mismo orden de razonamiento propuesto para
tratar esta situación en el caso de la perforación por percusión, se puede enunciar el
siguiente principio: "la energía aplicada a la roca por unidad de tiempo [min] se consume en
remover un cierto volumen de roca en esa misma unidad de tiempo. Luego, se puede
escribir:
donde:
A partir de la relación anterior, y recordando que [Ee ≈ 0,1 Er], se obtiene:
y despejando Va:

Si se revisa la fórmula anterior, la velocidad de rotación (N) se puede considerar como un
dato, por su correlación consistente -ya consignada previamente- con la resistencia a la
compresión de la roca. En cuanto al torque de rotación (T), esta variable es más difícil de
cuantificar, dado su permanente dependencia de la velocidad de rotación.

TECNOLOGÍA DE LOS EXPLOSIVOS
INTRODUCCIÓN
BREVE RESENA HISTÓRICA
Desde la prehistoria el hombre ha requerido fragmentar rocas con diversos fines, utilizando
primero su energía física ayudado de algunos implementos o herramientas muy
rudimentarias. También aplicaron métodos indirectos.
En las minas de Schemnitz, Hungría, se utiliza por primera vez la energía liberada por una
reacción química con el propósito de fragmentar roca. Se trata de la PÓLVORA NEGRA,
explosivo deflagrante, conocida en Europa desde el Siglo 13, utilizada principalmente con
fines bélicos.
Entre los años 1867 - 69, el químico sueco Alfred Nobel inventa las DINAMITAS, primer
explosivo detonante, utilizando la nitroglicerina como explosivo base. Se manejan en forma
de cartuchos
En los Estados Unidos ya en este siglo a mediados de los años 50, se utilizan por primera
vez a escala industrial explosivos a granel del tipo nitrocarbonitratos, cuyo exponente más
conocido es el ANFO (Ammonium Nitrate más Fuel Oil).
A principios de los años 60, también en los Estados Unidos, comienzan a comercializarse los
primeros explosivos acuosos (slurries) o HIDROGELES como también se les llama. Su
invención es compartida por el profesor Melvin Cook de la Universidad de Utah y la Empresa
Du Pont.
Finalmente, a partir de los inicios de los años 80, aparecen los explosivos de más reciente
desarrollo o de última generación conocidos con el nombre de EMULSIONES.
Hoy en día, los explosivos químicos siguen siendo la principal fuente de energía utilizada
para fragmentar y remover masivamente rocas compactas in-situ, ya sea en los procesos
extractivos de las faenas mineras como también en las excavaciones requeridas para obras
civiles.
CLASIFICACIÓN
En lo esencial, un explosivo puede considerarse como una herramienta para realizar un
trabajo, y en un sentido amplio se define como explosivo a cualquier artefacto capaz de
liberar una gran cantidad de energía en un intervalo de tiempo muy pequeño, ejerciendo una
acción dinámica de gran violencia sobre el medio que lo rodea.

Los explosivos moderaos, tanto industriales como militares, se clasifican en general según el
cuadro resumen que se incluye a continuación:
LOS EXPLOSIVOS QUÍMICOS
Son compuestos químicos, sólidos o líquidos, o también mezclas entre ellos, susceptibles a
descomponerse o a reaccionar violentamente por efecto de una alteración térmica o de un
impacto, desprendiendo una gran cantidad de gases a alta presión y temperatura. Esta
transformación súbita en gases se traduce en un impacto "brutal" sobre el medio circundante
cuando el explosivo reacciona confinado o inserto en un sólido.
Según la velocidad con que se propaga la reacción química, se diferencia entre dos
categorías de explosivos.
• EXPLOSIVOS DEFLAGRANTES: Son aquellos cuya reacción química es una
combustión muy violenta llamada deflagración, que se propaga a una velocidad del
orden de los cientos de metros por segundo (400 a 800 m/seg). Se les denomina
también explosivos propelentes o bajos explosivos. El ejemplo más conocido es la
Pólvora Negra
• EXPLOSIVOS DETONANTES: Son aquellos que experimentan una reacción química
muy violenta llamada detonación, que se propaga a través de la columna explosiva
acompañada de una onda de choque a una velocidad del orden de los miles de

Apuntes de curso de explotación de minas

Apuntes de curso de explotación de minas

Recomendados

Recomendados

Más contenido relacionado

La actualidad más candente

La actualidad más candente (20)

Similar a Apuntes de curso de explotación de minas

Similar a Apuntes de curso de explotación de minas (20)

Último

Último (20)

Apuntes de curso de explotación de minas