Figura 1. Minador continuo excavando. https://www.exms.co.za/expert-camera-systems/continuous-miner-camera-system/
Los minadores continuos (continuous miners, en inglés), son equipos para la excavación mecánica usados en minería subterránea. Crean huecos rectangulares empleando tambores de picas (6 m de ancho por 5 m de alto). Se emplean principalmente en minas de minerales blandos, tales como el carbón o la sal.
Existen equipos con posibilidad de llevar a cabo un sostenimiento simultáneo, lo que le permite avanzar 12 m sin retirarse. Un equipo puede producir unas 600 – 700 t/h de mineral. Este mineral se descarga a través de un transportador blindado a “shuttle cars”.
A continuación presento un ejercicio resuelto y un nomograma que puede ser útil para el cálculo del ratio de avance diario de un minador continuo. Se trata de una colaboración con el profesor de la Universidad Politécnica de Cartagena, Pedro Martínez Pagán.
Como podéis comprobar, existen vínculos comunes entre las especialidades de ingeniería civil y minas en muchos aspectos relacionados con la maquinaria y los procedimientos de construcción. Espero que os sea útil.
Para resolver este ejercicio, resulta de interés la tabla que presentamos en la Figura 2, donde se proporcionan valores de energía específica para varios tipos de excavadoras mecánicas.
Figura 2. Valores de energía específica para varios tipos de excavadoras mecánicas. Fuente: SME Mining Engineering Handbook (2011) – Rostami et al. (1994).
También podéis utilizar este nomograma, elaborado junto con los profesores Pedro Martínez Pagán y Jamal Rotami, que espero os sea útil.
ROSTAMI, J. (2011). Mechanical Rock Breaking. In SME Mining Engineering Handbook, 3rd Edition, Darling, P. (Ed.), Society for Mining, Metallurgy, and Exploration, 417-434.
Perforación a percusión con cable. https://www.massenzaperforadoras.es/la-perforacion-de-percusion/
La perforación a percusión con cable es un método de perforación vertical que se basa en el golpeteo de un trépano pesado que se eleva con un cable y cae por gravedad, fragmentando el suelo. Este método se utiliza en terrenos de dureza media a baja o en terrenos duros que sean frágiles, pero se desaconseja en terrenos detríticos no cohesionados, muy duros, abrasivos y plásticos. La frecuencia de golpeo se encuentra en el rango de 40 a 50 impactos por minuto, y se logran rendimientos medios de 2 a 4 m/día en materiales duros y de 10 a 20 m/día en materiales blandos. La altura de caída del trépano depende de la dureza del terreno y de la profundidad del fondo de perforación.
Aquí os traigo un nomograma original, elaborado en colaboración con los profesores Pedro Martínez-Pagán y Daniel Boulet, en el que se puede calcular las características propias de este método de perforación, tales como el peso de la sarta de perforación, la velocidad media de la herramienta o la potencia necesaria de la máquina. También os paso un problema resuelto, que espero sea de vuestro interés.
Figura 1. https://www.monografias.com/trabajos68/tubos-exploracion-taladros-explotacion-subterranea/tubos-exploracion-taladros-explotacion-subterranea2
La perforación rotopercutiva con martillos hidráulicos es el método predominante en las voladuras a cielo abierto. Dentro de esta técnica se identifican tres grupos principales. De los dos primeros ya hemos hablado en sendos artículos dentro de este blog.
El primer grupo son los martillos en cabeza, donde la rotación y percusión ocurren fuera del barreno y se transmiten mediante la espiga y la sarta hasta la boca de perforación. Los martillos pueden ser neumáticos o hidráulicos, siendo estos últimos los más comunes. El rango de perforación es hasta 89 mm de diámetro y profundidades máximas de 15-20 m debido a las pérdidas de energía que se producen en la transmisión de la percusión a través del varillaje, siendo la desviación que es mayor en comparación con otros grupos. Las ventajas incluyen menor coste de equipo y energía, accesorios de perforación más económicos que en el caso de los martillos de fondo, mayor velocidad de perforación y facilidad de automatización de los equipos. Sin embargo, sus desventajas son mayor desviación y mantenimiento más complejo.
El segundo grupo es el martillo en fondo, donde la percusión se realiza directamente sobre la boca de perforación y la rotación se efectúa en el exterior del barreno. El pistón se acciona mediante aire comprimido o agua, mientras que la rotación puede ser neumática o hidráulica. El rango de perforación va desde 89 mm a 250 mm de diámetro y profundidad máxima de 60 m. Las ventajas incluyen velocidad de perforación constante con la profundidad, menor desgaste en la boca y mayor vida útil del varillaje. Las desventajas son menor velocidad de perforación y mayores costos de fungibles, como los tubos y las bocas. Además, se puede perder el martillo si se sufre atrancamiento el fondo del barreno.
El tercer grupo es el Sistema COPROD, que combina la tecnología de martillo en cabeza y en fondo para la perforación. Se utilizan perforadoras similares a las de martillo en cabeza, pero se lleva a cabo la percusión y la rotación del martillo por separado, lo que aúna la velocidad de perforación del martillo en cabeza con la menor desviación del martillo en fondo. El varillaje transmite la percusión y el aire de barrido necesarios hasta la boca del pozo. La rotación también se realiza desde la superficie mediante una tubería exterior unida al varillaje mediante guías, lo que proporciona mayor rigidez y peso y reduce el espacio entre las paredes del barreno y el varillaje. Entre las ventajas se incluyen el aumento del diámetro de perforación, menor riesgo de atranques, menor consumo de energía, mayor vida útil de los accesorios de perforación y menor desviación en comparación con otros métodos. Sin embargo, es importante tener en cuenta que el COPROD puede ser más costoso que otros métodos.
Os dejo algunos vídeos explicativos sobre la perforación COPROD que espero os sean de interés.
Referencias:
DIRECCIÓN GENERAL DE CARRETERAS (1998). Manual para el control y diseño de voladuras en obras de carreteras. Ministerio de Fomento, Madrid, 390 pp.
INSTITUTO TECNOLÓGICO GEOMINERO DE ESPAÑA (1994). Manual de perforación y voladura de rocas. Serie Tecnológica y Seguridad Minera, 2ª Edición, Madrid, 541 pp.
MARTÍ, J.V.; YEPES, V.; GONZÁLEZ, F.; ALCALÁ, J. (2012). Técnicas de voladuras y excavación en túneles. Editorial de la Universitat Politècnica de València. Ref. 530, 165 pp.
UNIÓN ESPAÑOLA DE EXPLOSIVOS (1990). Manual de perforación. Rio Blast, S.A., Madrid, 206 pp.
YEPES, V. (2022). Maquinaria para sondeos, movimientos de tierras y construcción de firmes. Apuntes de la Universitat Politècnica de València, Ref. 22.
Perforadora con martillo en cabeza. https://psvperforacion.com/productos-bburg/
La perforación con martillo en cabeza es un sistema clásico que ha utilizado el accionamiento neumático. De este tipo de perforadora ya hemos hablado en un artículo anterior. Sin embargo, hoy en día está siendo desplazado por los martillos en fondo y equipos rotativos. De hecho, desde la aparición de los martillos hidráulicos en la década de los 70, este sistema ha visto resurgir su utilidad y campo de aplicación.
¿Cuál es la razón por este cambio de tendencia? La justificación es muy sencilla. Basta emplear las ecuaciones básicas de la energía y la potencia desarrollada por el pistón de este tipo de perforadoras. En efecto, la energía cinética que alcanza el pistón es proporcional a la presión de aire, a la superficie del pistón y a la longitud de carrera. Para calcular la potencia bastará calcular el número de impactos (energía cedida) en la unidad de tiempo (impactos por minuto).
Por tanto, ante dos perforadoras de la misma potencia, una produciendo pocos impactos por minuto (n), pero de gran energía, y otra con un elevado número de impactos por minuto (N), pero de pequeña energía, tendremos que la primera perforadora romperá más roca a cada golpe, pero la barrena sufrirá mucho, llegando en algunos casos a clavarse en la roca. La segunda cortará menos roca por impacto, de modo que no fatigará el varillaje ni clavará la barrena, siempre que su impacto supere la energía necesaria para romper esa menor cantidad de roca.
Por tanto, las perforadoras con un gran pistón, gran carrera y presiones bajas son una tendencia antigua que se sustituye por perforadoras hidráulicas, con altas presiones, pistones y carrera pequeños y gran número de impactos por minuto.
Os dejo a continuación la demostración de esta formulación que, espero, os sea de utilidad.
DIRECCIÓN GENERAL DE CARRETERAS (1998). Manual para el control y diseño de voladuras en obras de carreteras. Ministerio de Fomento, Madrid, 390 pp.
INSTITUTO TECNOLÓGICO GEOMINERO DE ESPAÑA (1994). Manual de perforación y voladura de rocas. Serie Tecnológica y Seguridad Minera, 2ª Edición, Madrid, 541 pp.
MARTÍ, J.V.; YEPES, V.; GONZÁLEZ, F.; ALCALÁ, J. (2012). Técnicas de voladuras y excavación en túneles. Editorial de la Universitat Politècnica de València. Ref. 530, 165 pp.
UNIÓN ESPAÑOLA DE EXPLOSIVOS (1990). Manual de perforación. Rio Blast, S.A., Madrid, 206 pp.
YEPES, V. (2022). Maquinaria para sondeos, movimientos de tierras y construcción de firmes. Apuntes de la Universitat Politècnica de València, Ref. 22.
Tricono con insertos. https://www.talleresegovia.com
En un artículo anterior se describió la perforación rotativa de rocas y la perforación con triconos. El principio utilizado por las perforadoras rotativas consiste en aplicar energía a la roca haciendo rotar un útil de corte o destroza conjuntamente con la acción de una gran fuerza de empuje. Actualmente, se emplean con frecuencia los trépanos triturantes o triconos, para lograr un alto rendimiento, alcanzando entre 60-100 m/turno, en profundidades de hasta los 200 m. Se usa en ingeniería civil con diámetros entre 100 y 300 mm. Sin embargo, en la industria petrolera, se han superado estos límites, alcanzando hasta 4500 metros de profundidad en España.
En este artículo vamos a presentar un problema resuelto de rendimientos y plazos en una perforación rotativa con triconos sobre una roca. Como podréis ver, muchas de las formulaciones empleadas son empíricas y, en este sector, sigue empleándose frecuentemente el sistema de unidades anglosajón.
INSTITUTO TECNOLÓGICO Y GEOMINERO DE ESPAÑA (1994). Manual de perforación y voladura de rocas. Serie: Tecnología y Seguridad Minera. Segunda edición, Madrid, 541 pp.
LÓPEZ JIMENO, C. (Ed.) (2000). Manual de sondeos. E.T.S. de Ingenieros de Minas de Madrid, 699 pp.
MARTÍ, J.V.; GONZÁLEZ, F.; YEPES, V. (2005). Temas de procedimientos de construcción. Extracción y tratamiento de áridos. Editorial de la Universidad Politécnica de Valencia. Ref. 2005.165. Valencia, 74 pp.
Recibí recientemente una invitación del Centro de Investigación CIEIC Perú para participar en una ponencia relacionada con la Perforación Horizontal Dirigida. Se trata de una organización sin ánimo de lucro que se centra en la ciencia, la tecnología y la ingeniería.
La conferencia se transmitirá en directo a través de Facebook Live y Zoom. Tendrá lugar el lunes 12 de abril de 2021, a las 3.00 p.m. (hora Perú) / 10:00 p.m. (hora España). La participación es gratuita y se puede solicitar la inscripción en el siguiente enlace: https://cutt.ly/GcF3C1I
Os anuncio a continuación la VI edición anual del Curso de Postgrado: ESPECIALISTA EN TECNOLOGÍAS SIN ZANJA, que se desarrolla del 26 de octubre al 11 de noviembre de 2020 en la modalidad online, a través de la plataforma Microsoft Teams. Se trata un curso de 46 horas organizado por la Asociación Ibérica de Tecnología SIN Zanja (IbSTT).
Os adjunto el programa actualizado y el enlace para que puedan cumplimentar el boletín de inscripción, y la reserva de plaza: https://forms.gle/FyYRn9D8XmuENyj4A. Por cierto, podéis solicitar un “código de descuento de empresa asociada” del 10% si sois alumno mío o bien contacto, por ser miembro colaborador (dáis mi nombre al inscribiros y os harán el descuento).
También os paso, gratuitamente, la ponencia que imparto dentro del curso, que he colgado en Youtube, por si os resulta de interés. Se trata del Módulo 7-1: Aspectos generales: Peforación Horizontal Dirigida PHD.
Os presento la segunda edición ampliada del libro que he publicado sobre procedimientos de construcción de cimentaciones y estructuras de contención. El libro trata de los aspectos relacionados con los procedimientos constructivos, maquinaria y equipos auxiliares empleados en la construcción de cimentaciones superficiales, cimentaciones profundas, pilotes, cajones, estructuras de contención de tierras, muros, pantallas de hormigón, anclajes, entibaciones y tablestacas. Pero se ha ampliado esta edición con tres capítulos nuevos dedicados a los procedimientos de contención y control de las aguas subterráneas. Además, de incluir la bibliografía para ampliar conocimientos, se incluyen cuestiones de autoevaluación con respuestas y un tesauro para el aprendizaje de los conceptos más importantes de estos temas. Este texto tiene como objetivo apoyar los contenidos lectivos de los programas de los estudios de grado relacionados con la ingeniería civil, la edificación y las obras públicas.
El libro tiene 480 páginas, 439 figuras y fotografías, así como 430 cuestiones de autoevaluación resueltas. Los contenidos de esta publicación han sido evaluados mediante el sistema doble ciego, siguiendo el procedimiento que se recoge en: http://www.upv.es/entidades/AEUPV/info/891747normalc.html
Sobre el autor: Víctor Yepes Piqueras. Doctor Ingeniero de Caminos, Canales y Puertos. Catedrático de Universidad del Departamento de Ingeniería de la Construcción y Proyectos de Ingeniería Civil de la Universitat Politècnica de València. Número 1 de su promoción, ha desarrollado su vida profesional en empresas constructoras, en el sector público y en el ámbito universitario. Es director académico del Máster Universitario en Ingeniería del Hormigón (acreditado con el sello EUR-ACE®), investigador del Instituto de Ciencia y Tecnología del Hormigón (ICITECH) y profesor visitante en la Pontificia Universidad Católica de Chile. Imparte docencia en asignaturas de grado y posgrado relacionadas con procedimientos de construcción y gestión de obras, calidad e innovación, modelos predictivos y optimización en la ingeniería. Sus líneas de investigación actuales se centran en la optimización multiobjetivo, la sostenibilidad y el análisis de ciclo de vida de puentes y estructuras de hormigón.
Figura 1. Distribución de presiones en el frente del escudo
La necesidad de equilibrar suelos inestables que además se encuentran bajo el nivel freático, ha desarrollado un conjunto de escudos con diversas tecnologías que estabilizan el frente empleando aire comprimido, lodos o las propias tierras extraídas en la excavación.
El aire comprimido es el sistema más antiguo empleado como medio de estabilización en la excavación de túneles. En 1874, James H. Greathead plantea el primer escudo que utiliza aire comprimido, aunque no se llegó a emplear. En 1879, De Witts Haskins maneja por primera vez la presurización a 0,24 MPa en la construcción del túnel en Nueva York, bajo el río Hudson, y del túnel Antwerp Docks recurriendo a dovelas de fundición.
En sus primeras aplicaciones se utilizaron escudos abiertos con una presurización integral del túnel, para construir túneles bajo niveles freáticos poco importantes (0,1 a 0,2 MPa), entre el frente y la esclusa inicial de entrada. En el frente bastaban simples escudos de entibación u otros con rueda abierta, pues el único condicionante era disponer un frente con un coeficiente de permeabilidad al aire bajo, compuesto en su mayoría por arenas finas, arcillas y limos. Estos escudos tenían acceso al frente de excavación por medio de dos sistemas de esclusas de cierre hermético: una para la entrada y salida del personal, y otra para la evacuación del escombro.
Sin embargo, es a partir de los años 1950-60 cuando se reconocen los problemas que plantea el trabajo prolongado en condiciones hiperbáricas. En efecto, cualquier pérdida de aire podría implicar un desastre de enormes proporciones.
En terrenos con frentes con suelos granulares no cohesivos, el riesgo es alto de accidentes debido a la inestabilidad del frente por su rotura. Además, los rendimientos son muy bajos, pues la entrada al túnel del personal y la maquinaria se hace a través de esclusas para mantener la presión. Incluso trabajando por debajo de los 0,3 MPa, se exigen tiempos de descompresión cercanos a las 4 horas, por lo que solo son útiles de 2 a 3 horas por turno, lo cual dispara los costes.
Los inconvenientes de esta forma de trabajo, especialmente por razones de seguridad y salud para los operarios, han eliminado por completo la presurización integral del túnel. Sin embargo en escudos cerrados, el aire comprimido cuando el terreno reúne las condiciones necesarias, puede ser un medio de estabilización eficaz, aplicable en combinación con otros medios de sustentación. Por tanto, se presuriza exclusivamente el terreno del frente, es decir, el espacio comprendido entre la rueda de corte y un mamparo, que es lo que se denomina “cámara de tierras”. De esta forma, se aísla la presión del resto de la máquina, pudiendo los operarios trabajar a presión atmosférica. Hoy día solo se entra en la cámara presurizada para la revisión de la rueda de corte y la reposición de herramientas, siempre con la máquina parada. De todas formas, los escudos de aire comprimido apenas se utilizan hoy en día, pues el aire comprimido complica mucho la organización de la obra. Solo se emplean en labores complementarias o túneles muy cortos y siempre con presiones inferiores a unos 0,3 MPa.
El reparto desigual de presiones sobre el frente de excavación, puede ser un inconveniente tanto más importante cuanto mayor sea la altura del escudo según se aprecia en el esquema siguiente: en escudos de grandes dimensiones la diferencia de cota entre la solera y la clave del túnel, puede llegar a establecer importantes diferencias de presión. Para una diferencia h2 – h1 » 10 m la sobrepresión en clave sería del orden de una atmósfera.
Por otra parte, para que el aire comprimido sea un medio efectivo de sostenimiento arenas o gravas, es necesario que el suelo contenga una proporción mínima (>10 %) de finos, es decir, son necesarios terrenos muy homogéneos. En el caso de materiales no cohesivos con riesgo de roturas del frente, se prefieren otro tipo de escudos, tal y como se describirá en lecciones posteriores.
Los principales componentes de un escudo de aire comprimido son los siguientes:
Cabeza de corte, formada por cuchillas y dientes
El escudo cilíndrico de protección. Su parte frontal está cerrada por un mamparo que separa la cámara presurizada donde está la cabeza de corte, del resto
Gatos hidráulicos de empuje horizontal
En estos escudos la extracción del escombro se realiza hasta la zona despresurizada a través de un tornillo sinfín, que puede descargar en una válvula esférica rotativa. Cuando existen dificultades, se pueden adicionar espumas o polímeros para conformar un gel viscoso manejable.
Existe un tipo especial de tuneladora denominada escudo abierto de aire comprimido, donde la excavación se realiza con un minador puntual o rozadora, mientras que el frente se sostenien con aire comprimido.
La realidad, la presurización neumática actual de la cámara frontal del escudo queda reducida a situaciones de emergencia en escudos de presión de lodos o de tierras para, mediante una esclusa situada en la cabeza de la máquina, permitir el acceso para la sustitución de picas, reparar o solucionar alguna situación inesperada.
Referencias:
GALLO, J.; PÉREZ, H.; GARCÍA, D. (2016). Excavación, sostenimiento y técnicas de corrección de túneles, obras subterráneas y labores mineras. Universidad del País Vasco, Bilbao, 277 pp.
MARTÍ, J.V.; YEPES, V.; GONZÁLEZ, F.; ALCALÁ, J. (2012). Técnicas de voladuras y excavación en túneles. Apuntes de la Universitat Politècnica de València. Ref. 530, 165 pp.
MENDAÑA, F.; FERNÁNDEZ, R. (2011). Hidroescudos y tuneladoras E.P.B. Campos de utilización. Revista de Obras Públicas, 3525:67-86
Vista frontal de un hidroescudo. https://www.eurohinca.com/escudo-cerrado-hidroescudo.html
Los escudos de frente en presión de lodos, o hidroescudos (hydroshield, en inglés) son tuneladoras que emplea lodos tixotrópicos para garantizar la estabilidad del frente, con un sistema de conducción del escombro por vía húmeda mediante bombeo. Estas máquinas surgieron en los años sesenta para resolver el problema de la presurización de los frentes de excavación en materiales no cohesivos.
Actualmente, los hidroescudos son aptos para trabajar para excavar bajo nivel freático en terrenos complicados, formados por arenas y gravas u otros materiales blandos y fragmentados. El límite del tamaño máximo transportable hidráulicamente es de 80 a 100 mm. No obstante, si se incorpora una trituradora en la cabeza de la máquina, se puede abordar el desalojo de tamaños mayores. Cuando el porcentaje de finos (tamiz 200) supera el 20%, la solución no es económica por la dificultad de separar el escombro de la bentonita. Además, se trata de una máquina especialmente indicada para la perforación de pequeños diámetros. No obstante, siempre con los inconvenientes propios de este medio de estabilización: vertido de los lodos y sobrecoste de la instalación para su preparación, bombeo y recuperación.
Estos escudos son las más apropiados para excavar túneles en terrenos inestables sometidos a una elevada presión de aguas subterráneas o a filtraciones que deben contenerse proporcionando sostenimiento al frente de excavación con un fluido a presión. Este fluido de excavación normalmente es una suspensión de bentonita o bien una mezcla de arcilla y agua.
El fluido de perforación se bombea hacia el interior de la cámara de excavación, donde llega al frente de excavación y penetra en el suelo formando la torta de filtro o el mamparo impermeable en suelos finos, o la zona impregnada en suelos gruesos, que garantiza la presión en el frente. La función de los lodos, además de estabilizar el terreno, es facilitar la evacuación del escombro que, mezclado con ellos, se bombea y dirige hacia el exterior.
En estos escudos, la parte de la máquina que realiza la excavación, está separada del resto por una mampara completamente estanca. Los lodos ocupan una cámara con dos compartimentos: uno anterior lleno de lodos con el escudo en funcionamiento y otro posterior en el que se regula la presión por medio de un colchón de aire que está separado de la cámara por un diafragma. El volumen de lodos, se controla automáticamente con un regulador de nivel superior e inferior que actúa sobre los sistemas de alimentación y de extracción del detritus, de forma que cuando los lodos alcanzan uno de estos niveles, las bombas de impulsión o extracción se paran automáticamente.
En la Figura 2 se representan las distintas partes de la que consta un hidroescudo.
Figura 2. Esquema básico de un hidroescudo
La numeración de las partes del hidroescudo de la Figura 2 es la siguiente:
Rueda de corte
Accionamiento
Suspensión de bentonita
Sensor de presión
Esclusa de aire comprimido
Erector de dovelas
Dovelas
Cilindros de propulsión
Burbuja de aire comprimido
Mamparo sumergible
Machacadora
Tubería de extracción
Como en cualquier aplicación con lodos bentoníticos, la permeabilidad del terreno tiene un límite (k > 10-2 cm/s.) a partir del cual la capa de gel ya no se forma sobre el terreno y en consecuencia ha de recurriese a otro medio auxiliar de excavación.
La mezcla con los residuos se bombea desde la cámara de excavación hasta una planta de separación situada en la superficie, compuesta generalmente por cribas y ciclones, lo cual permite reciclar la suspensión de bentonita y arcilla.
Por último, resulta relevante comentar que los hidroescudos son la única forma de excavar un túnel bajo nivel freático cuando las presiones del agua son muy elevadas, por encima de los 5 Bar.
Os dejo a continuación la Figura 3, tomada de Mendaña y Fernández (2011), donde se pueden ver, de una forma aproximada, los rangos de utilización de los hidroescudos frente a los escudos EPB. A la izquierda de la figura tenemos en azul los terrenos cohesivos, donde lo ideal son los escudos EPB, mientras que a la derecha son terrenos no cohesivos con escasez de finos, donde lo más adecuado son los hidroescudos. Existe, como siempre, un campo intermedio donde se debe estudiar con mayor detenimiento la aplicación. En cualquier caso, es muy importante elegir bien los aditivos adecuados.
Figura 3. Campo de aplicación de los escudos presurizados (Mendaña y Fernández, 2011)
MARTÍ, J.V.; YEPES, V.; GONZÁLEZ, F.; ALCALÁ, J. (2012). Técnicas de voladuras y excavación en túneles. Apuntes de la Universitat Politècnica de València. Ref. 530, 165 pp.
MENDAÑA, F.; FERNÁNDEZ, R. (2011). Hidroescudos y tuneladoras E.P.B. Campos de utilización. Revista de Obras Públicas, 3525:67-86.
