Perforación por extracción de material

Figura 1.- Perforación mecánica (Ingeopress)

Las operaciones necesarias para la ejecución con éxito de perforación con extracción de material son el troceo, la extracción del material propiamente dicha y la contención de las paredes. Estas operaciones se realizan en ocasiones de forma simultánea a la ejecución de la perforación.

 

La rotura o corte del terreno puede realizarse mediante varios procedimientos diferentes. Entre otros, destacan los siguientes:

 

  • Perforación mecánica: se deben aplicar tensiones sobre el material que superen su resistencia de corte. Este efecto puede realizarse por impacto (percusión), presión (empuje), fricción (rotación) o desgaste (barrido), o por efectos combinados de ellos.
  • Perforación térmica: realizada mediante soplete o lanza térmica, plasma, fluido caliente o congelación.
  • Perforación química: realizada mediante microvoladura o por disolución.
  • Perforación hidráulica: provocada por efecto de un chorro de agua a alta presión, por erosión o cavitación.
  • Otros tipos de perforación: eléctrica, sónica, nuclear, etc.

 

La eliminación del detritus puede ser discontinua, en el caso de interrupción de la perforación y la eliminación mecánica del detritus, o continua, empleando un fluido en circulación (aire, agua o lodos) que, a su vez, refrigera el útil de perforación y sostiene las paredes de la perforación. La extracción hidráulica presenta dos variantes, la circulación directa y la circulación inversa.

Cuando se utiliza un fluido para extraer el detritus, la circulación directa se refiere a que el fluido de perforación y el detritus se elevan hacia la superficie entre las paredes del sondeo y el varillaje. La circulación directa es el sistema más empleado en perforaciones relativamente cortas (menos de 50 m) y hasta ahora ha sido universal en los martillos neumáticos.

Figura 2.- Extracción del material en una perforación

En cambio, con la circulación inversa, el fluido y el material se eleva por el interior del varillaje. En este caso se mantiene inundada la perforación, siendo el ascenso del material por depresión o por inyección forzada. Se emplea también con martillos en fondo. Este método tiene interés en formaciones relativamente blandas poco permeables, con fisuración débil, poco abrasivas y de paredes estables (arcillas, algunas formaciones yesíferas y sales potásicas, por ejemplo). Es un método seguro, pero más caro, aunque mejora la limpieza del sondeo, recupera detritus de mayor tamaño y aumenta la velocidad de perforación. Normalmente se emplea un sistema de doble pared, es decir, dos tubos concéntricos: por la cámara exterior se inyecta el fluido y por la interior asciende.

Figura 3.- Esquema de instalación en circulación inversa

La perforación en suelos es más sencilla que en roca, pero en numerosas ocasiones se necesita un sostenimiento de las paredes del sondeo para evitar su derrumbe. El sostenimiento se puede realizar mediante fluidos como el agua (equilibrio hidrostático) o lodos (películas tixotrópicas) que sirven, además, para la eliminación del detritus; o bien mediante entubaciones, que pueden ser provisionales o definitivas.

El lodo es una mezcla de agua y bentonita sódica (a veces, sepiolita) tratada, a la que en ocasiones se añade arcilla y algún aditivo. Esta mezcla forma una lámina o “cake” que impermeabiliza el sondeo, de forma que si se mantiene llena de lodo la perforación, la presión en la cara interna de la pared supera a la existente en el exterior, lo que permite la estabilidad de la pared.

En sondeos y perforaciones helicoidales, el residuo de la perforación se extrae con la propia hélice.

Según la resistencia a compresión de las rocas y el diámetro de perforación, se pueden delimitar distintos métodos de perforación, según se refleja en la Figura 4. Sin embargo, en obras de construcción, lo habitual son los métodos rotopercutivos en la perforación de rocas, mientras que en minería a cielo abierto, también se utiliza la perforación rotativa.

Figura 4.- Campos de aplicación de los métodos de perforación en función de la resistencia de las rocas y diámetros de los barrenos (ITGE, 1994)

Referencias:

INSTITUTO TECNOLÓGICO Y MINERO DE ESPAÑA (1994). Manual de perforación y voladura de rocas. Ed. IGME. Madrid, 500 pp.

YEPES, V. (2014). Maquinaria para sondeos y perforaciones. Apuntes de la Universitat Politècnica de València, Ref. 209. Valencia.

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Vagones y carros perforadores

Figura 1.- Vagón perforador montado en llantas BARI-JÚPITER, modelo JRD 120 (B)

En una entrada anterior se describió el sistema de montaje de perforación mediante jumbos. En esta entrada, el sistema de montaje será el de vagones y carros perforadores. Los vagones y carros perforadores son las unidades remolcadas o autoportantes que permiten trasladar martillos medianos o pesados, de accionamiento neumático o hidráulico, y que están pensadas para perforaciones a cielo abierto.

La mayoría de estos equipos disponen de un sistema de avance con potencia suficiente para alcanzar profundidades superiores a 50 m, longitud que rebasa el límite de los 20 m impuesto por las desviaciones que son más habituales en este tipo de perforación.

Los equipos más simples, diseñados para excavación en banco y explotación de minas y canteras, constan de un chasis remolcable sobre el que se apoya un martillo de fondo ligero montado sobre una deslizadera de unos 2-2,5 m con avance de cadena.

Los equipos pesados, con diámetro superior a 12 cm y 3 – 4 t, montados sobre orugas, disponen de una deslizadera de mayor longitud (5-6 m) y de un sistema de avance con la potencia adecuada al peso del varillaje o sarta de tubos que se requiere en perforaciones más profundas.

Figura 2.- Carro perforador FlexiROC D65 de Atlas Copco
Figura 3.- Componentes de un carro perforador Atlas Copco

 

Figura 4.- Perforadora montada sobre camión T455WS SCHRAMM

Os dejo algunos vídeos al respecto:

 

Referencia:

YEPES, V. (2014). Maquinaria para sondeos y perforaciones. Apuntes de la Universitat Politècnica de València, Ref. 209. Valencia.

 

 

Geofísica aplicada a la ingeniería civil

http://www.radef.com.ar/

Uno de los problemas que afecta a la ingeniería civil y otras disciplinas es conocer una o varias características y propiedades del subsuelo. Para ello se emplea la ciencia de la geofísica.

La geofísica es una ciencia aplicada que estudia los fenómenos naturales de nuestro planeta desde el punto de vista físico y matemático. Su objeto de estudio abarca todos los fenómenos relacionados con la estructura, condiciones físicas e historia evolutiva de la Tierra.

Originalmente fue desarrollada como un método efectivo para la prospección del petróleo y otros depósitos minerales, pero actualmente tiene aplicaciones específicas en el campo de la ingeniería civil.

Al ser una disciplina experimental, usa para su estudio métodos cuantitativos físicos como la física de reflexión y refracción de ondas mecánicas, y una serie de métodos basados en la medida de la gravedad, de campos electromagnéticos,magnéticos o eléctricos y de fenómenos radiactivos. En algunos casos dichos métodos aprovechan campos o fenómenos naturales (gravedad, magnetismo terrestre, mareas, terremotos, tsunamis, etc.) y en otros son inducidos por el hombre (campos eléctricos y fenómenos sísmicos).

Os dejo una presentación interesante sobre la aplicación de la geofísica a la ingeniería civil. Espero que os guste.

 

Perforación con coronas

Elementos de la corona

La perforación con corona es el método de sondeo más difundido en el ámbito de la ingeniería civil, siendo imprescindible cuando se trata de extraer un testigo continuo en formaciones rocosas.

La zona de corte consta de la matriz, que es una aleación de distintas características según el terreno a perforar y en la que se insertan los diamantes, y de un cuerpo principal, que da soporte a la matriz y sirve de unión por roscado al varillaje. Si hay necesidad de extraer testigos, la matriz debe ser hueca (de corte anular) y en el caso contrario, maciza o ciega.

coronas de matriz maciza
Coronas de matriz maciza

La función de la corona es fragmentar la roca hasta dejarla en condiciones de ser extraída a la superficie. La eficacia de esta función, su precio y la duración (que dependerá del desgaste) son los tres aspectos básicos en su elección. Según la dureza y abrasividad del terreno la corona puede ser de widia o de diamantes.

Las coronas de widia son apropiadas para perforar rocas blandas o de dureza media. Están compuestas por prismas octogonales de unos 15 mm de longitud, insertados en las zonas más sobresalientes del perfil que forma el perímetro de la corona. La widia (aglomerado de carburo de wolframio, tungsteno, molibdeno, cobalto y otros metales) es mucho más resistente y menos sensible a la abrasión que los aceros especiales, pero su costo es bastante más elevado, aunque menor que el del diamante.

Coronas de widia
Coronas de widia

Las coronas de diamante se emplean en rocas muy duras y abrasivas, donde el rápido desgaste de las coronas de widia no compensaría la economía obtenida en su compra.

Por la forma de fabricación y distribución de los diamantes, estas coronas puedes ser de inserción o de concreción.

  • En las coronas de inserción los diamantes están incrustados sobre la superficie de la corona de la que sobresalen en forma de casquete. El tamaño de los diamantes es en estos casos de 10-80 p.p.q. (piedras por quilate: 1 quilate = 0,2 gramos).
  • En las coronas de concreción, los diamantes son de bastante menor tamaño (80-1000 p.p.q.), están mezclados y distribuidos regularmente por la matriz.
Coronas de diamantes de inserción
Coronas de diamantes de inserción

Al cabo de cierto tiempo de utilización, la corona no proporciona ya un avance aceptable por lo que es necesario su recambio. Ese momento puede medirse aproximadamente, cuando con la máxima carga sobre la corona, el avance es inferior a unos 2 cm/min. El intentar en estos casos mantener el rendimiento aumentando la carga podría provocar la fractura de algún diamante o de la matriz.

Os dejo unos vídeos sobre el tema.

Referencias:

YEPES, V. (2014). Maquinaria para sondeos y perforaciones. Apuntes de la Universitat Politècnica de València. 89 pp.