Geologia y teoria de la perforacion

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Sandvik Mining and Construction
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Mining and Construction Tools

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Sandvik Chile:
Geología/Teoría de Perforación

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

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

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Características de los minerales
Algunas de las características de los minerales son:
Dureza, Densidad, Color, Rayado
Brillo, Facturación, Hendidura, Cristales
La dureza se mide en grados de acuerdo a la escala de Mohs, que va de 1 a 10
1. Talco
2. Yeso
3. Calcita
4. Fluorita
5. Apatito
6. Ortoclasa
7. Cuarzo
8. Topacio
9. Corindón
10. Diamante

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Propiedades de la roca
Para poder prever el resultado de la perforación con respeto a la proporción
de penetración, calidad del agujero, taladro-acero, costos, etc., nosotros
debemos poder hacer una apreciación correcta de la roca involucrada. Así
para que nosotros podamos distinguir entre propiedades microscópicos y
macroscópicas.
Una piedra está compuesta de granos de varios minerales y entre las
propiedades microscópicas la composición del mineral, tamaño de grano, la
forma y distribución de los granos. Tomado juntos estos factores deciden las
propiedades importantes de la piedra, como dureza, abrasividad, resistencia
a la compresión y densidad.
Éstas propiedades, en su globalidad, determinan la tasa de penetración y
cómo eso puede determinarse y cual será la herramienta de uso.
La perforabilidad de una piedra depende en adelante, entre otras cosas, de la
dureza de sus minerales constitutivos y del tamaño de grano y la forma del
cristal.
Cuarzo es uno los minerales comunes en rocas. Debido a que el cuarzo es
material muy duro, un volumen de cuarzo alto (Sio2) hacen la roca muy difícil
de taladrar y causa mucho trabajo y desgaste al acero de perforación,
nosotros decimos que la roca es abrasiva. Recíprocamente, una roca con un
volumen alto de calcita es fácil taladrar y causa bajo trabajo y desgaste al
acero de perforación.

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

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

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Rocas metamórfica
Los efectos de acción química o la presión y/o la temperatura en una
formación de roca puede algunas veces producir una transformación
llamada metamórfosis. Por ej., presión y temperatura podrían
aumentar bajo la influencia del brote de magma, o porque la
formación ha hundido más profundamente en la corteza de la tierra.
Esto resulta en la re cristalización de los granos minerales o la
formación de nuevos minerales. Una característica de las rocas
metamórficas son que ellas se forman sin una completa fundición.
Ellas son también frecuentemente muy duros y tienen un polvo fino y
compacto, y es por consiguiente a menudo difícil de taladrar.
Roca
Metamórfica
Granito
Leptita

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Clasificación de la roca
Se han hecho muchos esfuerzos por clasificar la roca en base a su
perforabilidad, y varios métodos de medición han evolucionado con el
animo de desarrollar la forma de predecir la productividad y la
herramienta de perforación, llevando a cabo pruebas de laboratorio
antes de iniciar un trabajo de perforación de roca.
El término ”perforabilidad” se usa aquí para significar principalmente
la proporción a la que la herramienta penetra en la roca, pero en el
sentido más amplio se extiende al resultar calidad del agujero,
rectitud del agujero, el riesgo de herramienta se bloquee etc. el uso
de la Herramienta es a menudo proporcional a perforabilidad, aunque
también depende de cuanto abrasiva sea la roca.

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Clasificación de la roca:

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

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

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

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

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Si nosotros medimos la tensión en el acero de los pistones 2 y 3 podemos
ver en el siguiente diagrama que la tensión en el acero es 250-300 MPa (25-
30 kg/mm2) y que la ”primera onda de choque” tiene una longitud de
aproximadamente 1,200 mm que es la velocidad del sonido en el acero,
5,200 m/sec., multiplicado por el tiempo en milésimas de segundo, 0.23
msec.
5,200 x = 1.2 M = 1,200 mm
¿Cuánta fuerza hace este producto para que el acero pueda transmitir para
que el bit perfore la roca?
Una barra de perforación con un diámetro de 38 mm tiene un área de
aproximadamente 975 mm2 y con una tensión de 25 kg/mm2, la onda de
choque en el acero nos da una fuerza de 25 x 975 = 24,500 kg. o 24.5
toneladas.

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

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Desarrollo de las Perforadoras

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

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Desarrollo de la Perforadora

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

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

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

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

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Rotación
Se muestra en la forma de un gráfico
cómo la rpm de perforación cambian
con respecto al tamaño del bit. El
gráfico es válido para una máquina
hidráulica que opera a
aproximadamente 3,000 gpm
Rango de penetración (ppm) en
relación a las revoluciones (rpm)

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

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

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

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

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Realizado por: Vladimir Araya P.

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