Rock Excavation Handbook 3. Principios de las tecnologías de excavación en roca.

3.1 MECÁNICA DE LA ROTURA DE LA ROCA.

Cuando una herramienta carga sobre la superficie de la roca, la presión aumenta bajo el área de contacto. La forma en que la roca responde a esa presión depende del tipo de roca y del tipo de carga aplicada, por ejemplo, la perforación.

La rotura de la roca por rotación-percusión se puede dividir en cuatro fases:

ZONA TRITURADA.

La punta de la herramienta comienza a “abollar” la superficie de la roca, la tensión crece con el incremento de carga y el material se deforma elásticamente, la zona III en la figura inferior.  En la superficie de contacto se forman irregularidades y una zona de roca triturada se desarrolla debajo del penetrador o indentador (el botón o inserto de widia de una broca). La zona triturada comprende numerosas microfracturas que pulverizan la roca en polvo o partículas muy pequeñas. Entre el 70% y el 85% del trabajo aplicado al penetrador se consume en la formación de la zona triturada. Además, la zona triturada transmite el componente de esa fuerza dentro de la masa rocosa.

fig311

FORMACIÓN DE GRIETAS.

Conforme el proceso continúa, comienzan a formarse grietas dominantes en la roca. Esta etapa inicial de crecimiento restringido se describe como una barrera de energía a la propagación completa. La colocación de las grietas mayores dependen de la forma del indentador. En general, la colocación dominante de las principales grietas con penetradores romos, como una esfera, está localizada justo fuera del área de contacto apuntando hacia abajo y lejos de la superficie.

PROPAGACIÓN DE LAS GRIETAS.

Después de que la barrera de energía ha sido superada, comienza una espontánea y rápida propagación, la zona II en la figura de arriba. A una profundidad menor que la dimensión del contacto,  la tensión cae por debajo del valor necesario para mantener el crecimiento, así que la fractura se estabiliza.  Las grietas han alcanzado el desarrollo completo.

CHIPPING (desprendimiento de fragmentos).

Cuando la carga alcanza un nivel suficiente, la roca se rompe y uno o más fragmentos se forman por la propagación lateral de grietas. Este proceso se llama fragmentación superficial. Cada vez que se forma un fragmento, la fuerza cae temporalmente y debe ser aplicada de nuevo para que el proceso se repita. La trituración y la formación de fragmentos crea un pequeño cráter en la roca.

3.2 TOP-HAMMER DRILLING (Perforación con martillo en cabeza).

Hay cuatro componentes principales en un sistema de perforación (ver figura inferior). Estos componentes están relacionados con la utilización de la energía por el sistema para atacar la roca de la siguiente forma:

1. El pistón dentro del martillo perforador es la fuerza motriz, que convierte energía desde su forma original (hidráulica, eléctrica, neumática, o de un motor de combustión interna) en energía mecánica (un impacto) para actuar el sistema.

2. El adaptador transmite la energía del impacto desde el pistón a varilla de perforación. Adicionalmente, también se aplica un par de rotación al conjunto.

3. La varilla de perforación transmite la energía del impacto y el par de rotación.

4. La broca aplica toda esa energía del sistema a la roca para obtener una penetración.

321

En la perforación con martillo en cabeza, el pistón dentro del martillo se acelera hasta la velocidad deseada antes de impactar con el adaptador o el varillaje. En el momento del impacto, las partículas de la varilla de perforación alcanzan la misma velocidad, y por lo tanto un desplazamiento que se aleja del pistón. Esas partículas transmiten este movimiento a partículas adyacentes, las cuales repiten el proceso, creando una onda de presión que se desplaza a lo largo de la varilla de perforación. La forma de esta onda de presión se determina por la forma geométrica del pistón y del varillaje. Se forma una onda rectangular cuando un pistón con una sección transversal uniforme impacta una varilla de idéntico material e igual sección transversal. Los martillos hidráulicos producen ondas rectangulares de presión. Se puede ver en la figura superior como la onda viaja, impacta en la roca y se refleja.

PARÁMETROS DE LA PERFORACIÓN POR ROTACIÓN-PERCUSIÓN.

La roto-percusión consiste de cuatro parámetros que afectan directamente al rendimiento: potencia de percusión (energía de percusión y frecuencia), fuerza de avance (feed force), velocidad de rotación de la broca y barrido. Pueden verse en la figura siguiente:

322

Potencia o energía de percusión.

La potencia de salida en la perforación por roto-percusión es producida por la energía de impacto y la frecuencia de los mismos en el martillo. Los martillos neumáticos tienen una frecuencia de impacto en el rango de 1600 a 3400 por minuto, mientras que los hidráulicos entre 2000 a 4500 impactos por minuto.

La potencia de salida es una función de la presión hidráulica (o neumática) y del flujo (caudal) de fluido. Comparados con los neumáticos, los martillos hidráulicos son capaces de una mayor potencia de percusión y por ello de una penetración más rápida. Las tasas netas de penetración (metros por minuto) alcanzadas por martillos hidráulicos Tamrock como una función del diámetro de barreno y de la perforabilidad de la roca (Drilling Rate Index D.R.I ) se pueden ver en la figura siguiente.

fig323

Una limitación en la perforación mediante percusión es la capacidad del acero de perforación para transmitir la energía. Hay un punto máximo de energía cinética transmitida a partir del cual se produce un excesivo deterioro del varillaje.

Para perforación de campo, la presión óptima de percusión depende de aspectos financieros. Las mayores tasas netas de penetración se consiguen aumentando la potencia de percusión, sin embargo, la vida de la herramienta decrece simultáneamente a ese aumento. Además con ese aumento de percusión también aumenta la desviación del barreno y su impacto tanto en la carga como en el espaciado tiene que tenerse en cuenta.

Fuerza de avance (Feed).

Se requiere para mantener en contacto el adaptador con la varilla, y la broca en contacto con la roca. Esto asegura el máximo de energía cinética transmitida desde el pistón a la roca. Cuando se aumenta la presión de percusión, la presión de alimentación o avance (feed force) también debe incrementarse. La presión de avance óptima depende del nivel de presión de percusión, de la condición de la roca, la profundidad del barreno, del ángulo de perforación y del tamaño y tipo de varillaje. La roca fracturada, por ejemplo, debe ser perforada con bajas presiones de percusión y avance.

En los sistemas de martillo en cabeza, el martillo circula sobre una deslizadera. La fuerza de avance requerida es transferida al martillo mediante una cadena o un cilindro. La presión óptima de avance puede ser observada monitorizando la penetración y el desgaste de la broca y la varilla. Muy a menudo, la observación visual de la deslizadera y la rotación suave del varillaje son suficientes para determinar la presión adecuada de avance.

Una presión baja en este cilindro puede resultar en:

  • Una pobre transmisión de la energía de percusión, daño del adaptador, y un incremento en el desgaste de las roscas ya que los acoplamientos  tienden a aflojarse.
  • Bajas tasas de penetración debido a la baja transferencia de energía de percusión a través del varillaje.
  • Apenas resistencia a la rotación y un par muy bajo.
  • Incremento del desgaste de los botones de la broca.
  • Sobrecalentamiento y traqueteo excesivo en los acoples.

Una presión muy alta en el cilindro conlleva:

  • Flexión innecesaria en la varilla y desgaste del adaptador.
  • Problemas de barrido de deshechos.
  • Desgaste rápido de los botones de carburo debido al incremento del rozamiento contra el fondo del barreno y porque además, la broca se fuerza a trabajar en una posición inclinada debido a la flexión del varillaje.
  • Incremento en la desviación del barreno.
  • Los acoples roscados se fuerzan al máximo llegando a ser muy difíciles (o imposibles) de soltar.
  • Disminuye la tasa de penetración.

Rotación de la broca.

El principal propósito de la rotación está claro: después de cada golpeo hay que asegurar que debajo de los botones de la broca hay roca “fresca” y que el detritus es arrastrado por el barrido simultáneo. La única forma de hacer esto es girar la broca a una velocidad adecuada. Esta rotación se ajusta en el punto donde se obtiene una tasa de penetración más alta. Hay que tener en cuenta algunos factores en esa velocidad de rotación:

  • Tipo de roca.
  • Frecuencia del martillo (de golpeo).
  • Diámetro de la broca.
  • Diámetro de los botones de la broca (si es del tipo de insertos de botón). A una velocidad de rotación óptima, el tamaño de los fragmentos (chips) es mayor y con ello la penetración es máxima. Ver figura 3.2.-4.

form

 

De acuerdo a las propiedades de perforación de una roca, la distancia recorrida óptima para los botones de la broca entre impactos consecutivos es el diámetro de dichos botones multiplicado por 0.5 a 1.5. La distancia más corta (velocidad más baja) es recomendada cuando la formación de fragmentos es pobre en cada impacto, observado debido a una baja tasa de penetración neta. La velocidad de rotación se puede calcular a través de la siguiente ecuación:

form

Sin embargo, para diámetros de varilla pequeños (pulgada y media o menos), la penetración óptima desaparece después de la segunda varilla colocada en la sarta de perforación. Esto se debe a que la escasa rigidez del varillaje produce una muy baja indexación de la broca (no se produce el adecuado giro de los botones sobre la roca). Por lo tanto es necesario:

  • Disminuir las RPM un 20 o 30% cuando tenemos una combinación de diámetro de varillaje pequeño y longitudes de barreno largas para extender el límite de triturado de la broca.

Para brocas en cruz, son adecuados los siguientes valores de velocidad relativos a la velocidad calculada para las brocas de botones:

  • Para diámetros entre 35 a 71 mm de broca en cruz, las RPM un 5 a un 10% más bajas.
  • Para diámetros de 76 mm o mayores, las RPM un 5 a un 10% más altas.

Una velocidad de rotación insuficiente resulta en una pérdida de energía debido al re-corte del material ya cortado, y resulta en una baja tasa de penetración. Sin embargo, a veces la velocidad de rotación se coloca intencionadamente baja para:

  • Reducir la desviación de la broca en el barreno.
  • En rocas muy abrasivas para evitar una velocidad de desgaste crítico en los insertos.

Una velocidad de rotación excesiva resulta en un desgaste excesivo de la broca, ya que se fuerza a romper la roca por la rotación en vez de por la percusión. Además, la velocidad excesiva producirá un apriete excesivo de los acoplamientos, con lo que serán muy difíciles de soltar.

Barrido.

El barrido se usa para remover los detritos de la perforación del barreno y además para refrigerar la herramienta (broca). El agente de barrido (agua, aire, mezcla de ambos o espuma) se fuerza al fondo del barreno a través del varillaje que es hueco y de la broca que tiene orificios diseñados para realizar esa función. Los detritos se mezclan con el agente de barrido y debido a su presión son empujados fuera del barreno por el espacio entre el terreno y el varillaje.

Si el barrido es insuficiente produce una disminución de la perforación (ya que se incrementa el re-corte), además de reducirse la vida de la broca y varillaje y aumentar el desgaste de la broca. La cantidad de barrido necesaria para remover los detritos del barreno depende del diámetro, longitud y granulometría de los detritos. El barrido por medio de aire es típico en perforación de superficie, mientras que en obra subterránea es preferido el agua (o mezcla agua, aire). Si el agua no está permitida, se puede usar la mezcla de ambos, o alguna espuma.

El barrido con aire en un espacio cerrado requiere de un excelente sistema recolector de polvo. La experiencia muestra que la velocidad para el barrido en el caso de aire es de 15 m/s y de 1.0 m/s para el caso de agua. El exceso de barrido es también un problema. En el caso del aire, una sobrepresión o exceso de velocidad de barrido genera una corriente de partículas más o menos erosivas que chocan contra el cuerpo de la broca produciendo erosión (lo que viene siendo un chorreo de arena de toda la vida). En el caso del agua, una sobrepresión o sobrevelocidad de la misma lo que producirá es una disminución de la penetración debido a que esa sobrepresión levanta la herramienta del terreno.

En la tabla inferior se pueden ver los flujos de aire necesarios y estimados para un correcto barrido dependiendo del diámetro del varillaje y del barreno.

La cantidad de agua usada en perforación en túnel es de aproximadamente 50 litros por minuto y por martillo. En perforaciones largas, el direccionado tiene un impacto grande en el consumo de agua. Además, las perforaciones hacia abajo (downhole) necesitan más agua que las perforaciones hacia arriba (uphole).

A veces la espuma se usa en combinación con el barrido de aire para fijar el polvo y además, para estabilizar las paredes del barreno. Las mezclas de aire y agua también se usan para el mismo propósito. Normalmente la cantidad de agua añadida al barrido de aire varía entre 2 y 5 litros/minuto. El barrido con aire y con mezcla aire-agua incrementa la penetración neta entre un 10 y un 20% comparado con el barrido solo con agua.

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PERFORACIÓN HIDRÁULICA.

Los martillos percutores hidráulicos fueron introducidos en los inicios de los años setenta. Estos nuevos martillos de alta potencia no solo doblaban las capacidades de los neumáticos sino que además, mejoraban el entorno de trabajo. La introducción del accionamiento hidráulico en la perforación de roca además mejoró la precisión del barreno, e incrementó la mecanización y automatización.

Principio de trabajo del martillo hidráulico.

En la figura inferior podemos ver el principio de trabajo de un martillo standard. Un pistón se mueve a alta velocidad adelante y atrás impactando sobre el adaptador.

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Los martillos hidráulicos Tamrock son diseñados con un mínimo de partes y módulos. El martillo tiene un bloque de percusión seguro, que comprende un pistón y un distribuidor. Este diseño permite tener canales anchos y cortos, lo que asegura una máxima eficiencia del caudal.  Los módulos compactos para la percusión rotación y barrido minimizan el número de juntas.

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PERFORACIÓN NEUMÁTICA.

Los martillos y jumbos neumáticos fueron muy populares durante los 60 y comienzo de los 70. La fuente de energía de estos martillos es la del aire comprimido que existe en una linea o compresor.

COMPARACIÓN ENTRE  LA PERFORACIÓN HIDRÁULICA Y NEUMÁTICA.

El libro despliega una tabla tal cual se ve en la imagen inferior. Está claro que el sistema hidráulico le da mil vueltas a cualquier sistema neumático. Esto no lo dice el libro, pero cualquiera que tenga un grado en ingeniería lo entiende enseguida. La densidad del fluido hidráulico es del orden de centenares de veces superior a la del aire, además de la incompresibilidad del medio, con lo que la transmisión de energía es muy superior a igualdad de potencia del motor que accione el compresor o la bomba.

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No solo el tema del rendimiento tiene que tenerse en cuenta (que es de media un 50% superior), sino además, el sistema hidráulico es menos ruidoso que el neumático. Esto lo pueden atestiguar mis destrozados tímpanos. Desde el punto de vista de la logística del túnel también es preferible cualquier sistema hidráulico ya que evita la necesidad de un voluminoso compresor auxiliar así como una línea de aire comprimido en el hastial del túnel. Digamos que desde el advenimiento de la tecnología hidráulica y su incorporación en los jumbos, la neumática ha quedado para vestir santos y trabajos muy puntuales en lo que es la obra subterránea de túnel. Eso no quita que en la mina de carbón se siga utilizando. Claro que en la mina, lo que se busca es un equipo pequeño portátil suplido ésto con la necesidad de líneas de aire comprimido.

3.3 PRINCIPIOS DE LA PERFORACIÓN CON MARTILLO EN FONDO (DTH DRILLING).

DTH (Down-The-Hole) o martillo en fondo, es el método en el cual el martillo trabaja dentro del barreno, en concreto en el fondo, justo por delante de la broca. Es justo lo opuesto a martillo en cabeza que veíamos más arriba. El martillo en fondo se usa para voladura en banco, perforación de pozos de agua, sondeos, etc. En los martillos de este tipo, la broca está a continuación del adaptador, sobre el cual el pistón golpea directamente. Este martillo opera generalmente con aire comprimido y requiere un gran compresor para su uso efectivo. Y cuando digo gran compresor, quiero decir el mayor que puedas alquilar. Como el pistón está golpeando directamente la broca, la pérdida de energía es muy pequeña. Esto permite que la penetración neta se mantenga casi constante a medida que aumenta la longitud perforada (que no se puede conseguir con el martillo en cabeza). Además, la precisión en la perforación es buena. Las máquinas con martillo en fondo están limitadas por su relativamente baja penetración neta y escasa movilidad debido al equipo auxiliar necesario. Recordad que se requiere un compresor auxiliar apropiado. La rotación se consigue de forma hidráulica o mecánica (una tornamesa). El diámetro de perforación oscila de 89 a 165 mm y puede extenderse a unos sorprendentes 1100 mm! La longitud perforada en voladuras de banco llega a 60 metros. Dicho esto, yo he realizado perforaciones para pozos de agua con este sistema (con una máquina DrillTech en concreto) en diámetro de 6″ alcanzando el sondeo la profundidad de 280 metros en una formación de dolomías y calizas, lo que no está nada mal. No fue rápido, eso si.

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En el esquemita de debajo puede verse un martillo de este tipo.

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3.4 PERFORACIÓN ROTATIVA (ROTARY PERCUSSIVE DRILLING).

Está basada en el mismo principio de rotura de la roca que el sistema de martillo en cabeza excepto en que es la fuerza a alimentación o empuje(feed force)  la que se usa para indentar la roca, en lugar del impacto (percusión). Cuando la broca es presionada contra la roca y forzada a girar, la fuerza resultante provoca la formación de fragmentos y el corte de la roca. Los fragmentos se remueven con un barrido como los vistos en puntos anteriores. La broca en estos casos está compuesta por discos giratorios, o botones con formas prismáticas en vez de esféricas. La broca también puede ser del tipo tricono (se verá más adelante). Este sistema se usa mayormente en formaciones blandas o semi-blandas (aunque con el tricono es extensible a formaciones duras). La rotación y empuje condicionan una serie de requerimientos no solo para los sistemas de giro y alimentación sino también para el acero del varillaje y el diseño de la broca. Tienen que ser especiales ya que aquí no se está empleando percusión para fragmentar la roca, sino el par de giro y el empuje. 

3.5 MARTILLOS HIDRÁULICOS EN EXCAVADORAS (HYDRAULIC HAMMERS).

Cuando hablábamos de martillos hidráulicos vimos dos tipos (martillo en cabeza y en fondo). Pues bien, hay un tercero que utiliza solo el principio de percusión o una combinación de percusión y corte. El principio usado por el pistolete del minero, pero aplicado a un sistema hidráulico aumentado de tamaño para colocarlo en una retroexcavadora. El peso de estos martillos oscila entre los 80 a los 7000 kg! El rango de la máquina retroexcavadora necesaria para implementar dichos martillos se extiende las 0.8 a 100 toneladas. El martillo trabaja de dos formas diferentes: rotura por penetración y rotura por impacto. La aplicación de estas propiedades incluye materiales más blandos que son demolidos por una combinación de ondas de choque (una presión aplicada en un espacio de tiempo muy corto) y el efecto de cuchilla. Usados conjuntamente, estos efectos dividen el material. Para un trabajo típico de penetración, en hormigón, asfalto u otros materiales blandos, se puede usar una herramienta (puntero) con forma de cincel o roma. El afilado de la herramienta es esencial para obtener una buena productividad.

La rotura por impacto se lleva a cabo solo mediante las ondas de choque. En este caso no es necesario el efecto cuchillo y es incluso no deseado. Las ondas de presión se transmiten a la roca mediante una herramienta roma. Las aplicaciones típicas incluyen la rotura de bolos grandes procedentes de voladura, hormigón fuertemente armado o escoria de acero.

La productividad de estos martillos depende de numerosos factores como la energía de impacto y la frecuencia, rugosidad y tenacidad del material a demoler, condiciones de la retroexcavadora, experiencia y técnica del operario, y logística de la obra. Los factores de operación relacionados incluyen la frecuencia del impacto, la energía del impacto, las técnicas de demolición y la cantidad de fuerza de empuje aplicada por la retroexcavadora al martillo y por extensión a la roca o material. Es necesario aplicar una fuerza de empuje adecuada para que se produzca una adecuada transmisión de energía desde el martillo a la roca. Si la fuerza empuje es baja, el contacto entre roca y puntero es insuficiente y el mismo se mueve arriba y abajo sobre la roca sin conseguir penetrarla. La consecuencia es obvia, una baja penetración, y además un desgaste mayor de la herramienta y grandes vibraciones en el martillo y la excavadora. En el lado opuesto, si la fuerza aplicada es demasiado alta, sobrecarga el sistema de suspensión de la excavadora, también produce un desgaste excesivo y, cuando se produce la rotura, la excavadora puede cabecear fuertemente.

Un contacto insuficiente entre la herramienta y la roca produce polvo entre el puntero y roca. Este polvo se produce también cuando el martillo no es lo suficientemente potente como para producir fracturas en la roca. Este polvo actúa como un colchón amortiguando la energía que aplica el martillo y lógicamente reduciendo la productividad. Pero si no hay barrido se producirá polvo siempre! ¿Qué se puede hacer? Muy fácil: Reposicionar la herramienta. El reposicionado rápido es esencial para un buen rendimiento del martillo. Esto lo da la experiencia por cierto, y veremos en capítulos posteriores que el mayor rendimiento de un martillo cuando rompe bloques se produce cuando cambiamos de lugar en los primeros 6 segundos!

La frecuencia de impacto óptima depende del material a romper. Si el material es blando y la penetración alta, una frecuencia mayor es ventajosa. Si el material es muy duro, una  frecuencia de impacto un poco más baja reduce el calentamiento del puntero (el puntero puede incluso destemplarse en casos extremos de trabajo) y como consecuencia su desgaste prematuro.

Cuando trabajamos con un martillo el material se rompe con unos pocos impactos (2 a 200). El material a romper se comporta de forma diferente al principio y al final de una serie de impactos. En rotura por penetración, los ratios de penetración neta pueden variar considerablemente. En la rotura secundaria de bloques de voladura (de canteras por ejemplo) apenas hay un daño visible cuando la roca se fractura completamente.

La energía óptima de impacto depende de las dimensiones del bloque de material a romper. Si el hormigón es penetrado o los bloques se rompen después de unos pocos impactos (2 a 5), la energía del martillo es excesiva para el trabajo en cuestión. En este caso, un alto porcentaje de la energía de impacto del martillo volverá a él sin haber realizado trabajo alguno (vamos, que hemos hecho el primo alquilando esa retro con ese pedazo de martillo).

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