Para definir el tamaño máximo de la galería estable frente a roturas en masa o completas, se pueden emplear métodos empíricos, el método de las curvas de confinamiento, el método de convergencia y el método de cálculo numérico con programas informáticos (por ejemplo, Plaxis o Abaqus, entre otros). No obstante, antes de comenzar los cálculos, sería interesante estimar el tamaño de la galería estable en función del sostenimiento (Gallo et al., 2016).
A continuación os paso un problema resuelto que utiliza el índice Q de Barton y relación con el RMR (Rock Mass Rating) para estimar la longitud de pase (longitud de avance sin sostenimiento). Además, os explico cómo estimar la carga de roca o presión sobre el sostenimiento y cómo se puede predimensionar el tipo de excavación y sostenimiento a realizar. Espero que os sea de utilidad.
BIENIAWSKI, Z. T. (1989). Engineering rock mass classifications: a complete manual for engineers and geologists in mining, civil, and petroleum engineering. Wiley-Interscience, pp. 40–47.
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, España, 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.
Figura 1. Cabeza de una microtuneladora. https://sinducor.es/productos/marca/microtuneladoras-2/
Las máquinas de excavación mecánica de túneles, como las microtuneladoras, utilizan cabezales equipados con útiles de corte como rascadores, picas y discos de corte. Para evaluar el rendimiento del corte en la excavación mecánica de un túnel, necesitamos conocer la penetración específica (cociente entre la penetración y el empuje). De esta forma, el desgaste de un cortador se mide como el recorrido, en km, de un disco cortador o como el consumo de discos cortadores por m³ de material excavado.
En su tesis doctoral (Gallo, 2011), Javier Gallo propuso un modelo empírico para estimar la fuerza de arranque en este tipo de excavación. La ventaja de esta propuesta es que puede aplicarse a todo tipo de útiles de excavación, tanto en suelos como en rocas. Permite obtener la fuerza normal que hay que aplicar sobre el útil para romper un fragmento, denominada penetración, que coincide con el avance de la máquina por la revolución del cabezal. La ecuación se obtuvo empíricamente para túneles excavados con diámetros entre 2 y 2,5 m, utilizando útiles de corte tipo disco de 280 y 305 mm de diámetro y rascadores de 60 mm de ancho. Una de las ventajas es que no es necesario conocer el área de contacto entre el útil y el terreno. El método se ajusta a una ecuación que el autor denomina función T:
Donde
F Fuerza (kN)
P Penetración (mm)
RC Resistencia a compresión (MPa)
RT Resistencia a tracción (MPa)
De esta forma, conocida la resistencia a la tracción y a la compresión del macizo rocoso y la penetración que se pretende realizar durante el avance, podemos determinar la fuerza que debe resistir el filo del cortador. Así, podemos seleccionar el cortador más adecuado según los datos del fabricante. Del mismo modo, si conocemos la fuerza, podemos determinar la penetración máxima con la que avanzaría la tuneladora. La penetración aumenta cuanto menor es la resistencia del terreno (Gallo et al., 2016).
Os paso un problema resuelto que espero os sea de interés.
GALLO, J. (2011) Definición de un modelo para la estimación de la fuerza de arranque en la excavación mecánica de túneles en suelos y rocas. Tesis doctoral. Universidad del País Vasco. Bilbao, España.
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, España, 277 pp.
INSTITUTO TECNOLÓGICO Y GEOMINERO DE ESPAÑA (1994). Manual de perforación y voladura de rocas. Serie: Tecnología y Seguridad Minera. Segunda edición, Madrid, 541 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.
Figura 1. Trituradora de cilindros. https://m.spanish.alibaba.com/p-detail/2015-Baichy-hot-selling-double-roller-60189900655.html
Las trituradoras de cilindros son equipos que fragmentan materiales mediante compresión entre dos cilindros paralelos y de igual diámetro, con una pequeña separación que permite ajustar la máquina. Antes de la aparición de las trituradoras de cono, estas eran muy comunes, pero presentaban dos desventajas importantes: una baja capacidad y un rápido desgaste de la superficie del cilindro al triturar rocas abrasivas.
Los cilindros giran en direcciones opuestas, lo que facilita el transporte del material hacia la zona de trituración. Están controlados por motores eléctricos independientes para cada cilindro, conectados entre sí mediante una rueda dentada. Uno de los cilindros está montado sobre un buje fijo y el otro sobre un buje deslizante ajustable. Por lo general, este bloque deslizante utiliza muelles de compresión, lo que proporciona un sistema de seguridad contra sobrecargas o materiales intriturables. Los cilindros pueden ser lisos, estriados o dentados.
El tamaño de la salida está limitado por la separación entre los cilindros, mientras que la intensidad de la fragmentación depende principalmente del diámetro y la velocidad de giro de estos. Al igual que todas las trituradoras que funcionan de manera continua, las trituradoras de cilindros ofrecen un buen rendimiento y pueden alcanzar fácilmente una producción de 1000 t/h, aunque suelen tener bajas relaciones de reducción, generalmente de 5:1. Si los cilindros tienen dientes, son eficaces con rocas blandas y pegajosas.
Trituradoras de cilindros dentados
Los dientes de los cilindros provocan un corte en el material, lo que contribuye a su fragmentación junto con la compresión. Estas trituradoras se utilizan comúnmente en canteras a cielo abierto para la trituración primaria de «todo-uno», pero también se emplean en etapas secundarias o terciarias. En estas últimas, producen tamaños de producto inferiores a 50 mm. Tienen una capacidad de producción de entre 50 y 5000 t/h y pueden procesar bloques de hasta 1700 mm en los equipos más grandes. La relación de reducción varía entre 3:1 y 6:1. Normalmente, entre el 80 % y el 85 % de la producción pasa a través de una criba con un tamaño de abertura igual al reglaje.
Figura 2. Trituradora de rodillos dentados. https://litech-eu.com/es/roll-crusher/
Las trituradoras de cilindros dentados destacan por su robustez, simplicidad y facilidad de mantenimiento. Son más económicas que las trituradoras de mandíbulas y pueden procesar materiales húmedos, pegajosos y frágiles, sin problemas. Además, son equipos de altura reducida y cuentan con un dispositivo de seguridad eficaz. Proporcionan granulometrías regulares y generan muy poco polvo.
No obstante, no se recomiendan para materiales muy duros o abrasivos. La baja razón de reducción (aproximadamente 4:1) requiere varias etapas de trituración, y el sistema de alimentación no permite que se acumule material sobre los cilindros, lo que puede provocar problemas de ahogamiento y dificultar la producción de material fino. Para obtener buenas razones de reducción, se requieren cilindros de mayor diámetro en relación con el tamaño de las partículas de alimentación.
Trituradoras de cilindros lisos
La trituradora de rodillos presenta una estructura similar a la de la trituradora de cilindros dentados. A veces, el cilindro presenta acanaladuras que aumentan la fricción y facilitan el desplazamiento del material hacia la zona de compresión y trituración. La alimentación puede ser a tragante lleno, de modo que siempre quede material sobre los rodillos. De esta forma, el equipo trabaja a su máxima capacidad, con el inconveniente de generar una mayor cantidad de finos. Si se alimenta en una capa (Figura 3), la compresión del material es casi pura entre los cilindros y se reduce la cantidad de finos, aunque entonces la producción es menor.
Figura 3. Alimentación en una capa. https://ocw.bib.upct.es/course/view.php?id=178&topic=3
Los trituradores de rodillos son eficientes en la reducción de materiales blandos o de dureza media, con una razón de reducción de 5:1 y una capacidad de hasta 250 t/h. Se utilizan en etapas secundarias y terciarias, así como en la molienda gruesa (2-3 mm). Compiten con los molinos de martillos en materiales blandos y con los conos en materiales duros y abrasivos. Normalmente, el paso del producto obtenido será del 85 % por la criba de abertura igual al reglaje.
Sin embargo, debido a su razón de reducción de aproximadamente 6:1 al trabajar a tragante lleno, estos equipos generan una cantidad excesiva de partículas finas, por lo que no se recomiendan para materiales muy duros o abrasivos. No obstante, ofrecen granulometrías regulares y sin fragmentos grandes ni finos si la alimentación es a una sola capa y en circuito cerrado.
Os dejo un par de vídeos que creo que os pueden dar una visión de este tipo de trituradoras. Espero que os gusten.
Referencias:
LÓPEZ JIMENO, C. (ed.) (1998). Manual de áridos. Prospección, explotación y aplicaciones. E.T.S. de Ingenieros de Minas de Madrid, 607 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.
Figura 1. Nomograma para el cálculo del peso específico saturado de un suelo. Pesos específicos en kN/m³. Elaborado por Pedro Martínez Pagán.
El otro día estuve hablando con el profesor Pedro Martínez Pagán (Universidad Politécnica de Cartagena) sobre la utilidad actual de los nomogramas para el cálculo en la ingeniería. Un nomograma, ábaco o nomógrafo, es un instrumento gráfico de cálculo, un diagrama bidimensional que permite el cómputo gráfico y aproximado de una función de cualquier número de variables. Permite representar las ecuaciones que rigen un problema y el rango de soluciones.
La nomografía se define como la rama de las matemáticas que estudia los métodos de representación gráfica de las dependencias funcionales. A lo largo del siglo XX, esta disciplina experimentó un gran desarrollo y una amplia aplicación en diversos contextos para ayudar a científicos e ingenieros a realizar cálculos exactos y rápidos de fórmulas complejas con una precisión práctica. Sin embargo, la nomografía decayó a finales del siglo XX con el desarrollo y la popularización de ordenadores personales y calculadoras más potentes. A pesar de ello, la nomografía sigue siendo atractiva por su potencial para realizar cálculos gráficos rápidos y precisos que contribuyen a una mejor comprensión de fórmulas complejas. No obstante, la repetición de un cálculo en numerosas ocasiones o el aprendizaje de un tema determinado por los estudiantes puede hacer interesante su uso.
De hecho, pueden desempeñar un papel importante en la aplicación práctica de las ciencias y la ingeniería en actividades de aprendizaje atractivas y creativas. Además, los estudiantes de ciencias e ingeniería podrían beneficiarse de la capacidad de los nomogramas para analizar los efectos de las distintas variables de una fórmula. Estos nomogramas son útiles para realizar estudios preliminares de sensibilidad y para proporcionar las habilidades necesarias para interpretar los nomogramas que aún se utilizan.
A continuación, os muestro la fórmula que permite determinar el peso específico saturado de un suelo en función del índice de huecos y del peso específico de las partículas sólidas. También os adjunto un ábaco (Figura 1), elaborado por el profesor Martínez-Pagán, que permite resolver fácilmente este tipo de problemas. Espero que os resulte interesante.
MARTÍNEZ-PAGÁN, P.; ROSCHIER, L. (2022). Nomography: A renewed pedagogical tool to sciences and engineering high-education studies. Heliyon, 8(6):e09731. https://doi.org/10.1016/j.heliyon.2022.e09731
YEPES, V. (1995). Maquinaria de movimiento de tierras. Servicio de Publicaciones de la Universidad Politécnica de Valencia. SP.UPV-264. 144 pp.
Es habitual encontrarnos con equipos que, aunque trabajen de forma aislada, deban realizar varios tipos de trabajo consecutivos para completar una tarea. Además, la producción de cada uno de estos trabajos es diferente. El problema radica en calcular la producción conjunta. Uno de los ejemplos usuales es la producción de un buldócer (bulldozer, en inglés), que primero debe escarificar un terreno y luego debe empujarlo hasta una distancia de transporte determinada.
Una criba perfecta solo dejaría pasar las partículas de tamaño igual o inferior a la apertura de la malla. Sin embargo, este proceso de separación se ve entorpecido por la probabilidad de que el movimiento de una partícula la lleve finalmente a enfrentarse a la apertura de la criba sin verse afectada por otras partículas en su trayectoria. Por tanto, se hace necesario definir la eficiencia de una criba.
Para determinar la eficiencia de una criba, se deben conocer las características del material que alimenta la criba, del material pasante y del rechazo. Considerando el material de rechazo, la eficiencia de cribado (ηr) sería la relación entre el peso de material total presente en la alimentación que debería recuperarse en el rechazo y el peso del material que es rechazado a la salida de la criba. Pero si tenemos en cuenta el material pasante, entonces la eficiencia de cribado (ηp) sería el cociente entre el peso del material total presente en la alimentación que debería recuperarse como pasante y el peso del material que finalmente se obtiene como pasante a la salida de la criba.
Además, las cribas no son perfectas. Pueden estar deformadas o rotas, por lo que podrían obtenerse partículas gruesas en el pasante. Por tanto, para obtener la eficiencia del cribado, se debe hacer un balance de materia.
A continuación os paso un problema resuelto sobre la eficiencia de una criba. Espero que os resulte interesante.
FUEYO, L. (1999). Equipos de trituración, molienda y clasificación: tecnología, diseño y aplicación. Editorial Rocas y Minerales. 1ª edición. Fueyo Editores. Madrid, 371 pp. ISBN: 84-923128-2-3.
LÓPEZ JIMENO, C. (ed.) (1998). Manual de áridos. Prospección, explotación y aplicaciones. E.T.S. de Ingenieros de Minas de Madrid, 607 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.
MARTÍNEZ PAGÁN, P. (2021). Ejercicios resueltos de plantas de tratamiento de recursos minerales. Universidad Politécnica de Cartagena, CRAI Biblioteca, Cartagena, 211 pp.
TIKTIN, J. (1994). Procesamiento de áridos: instalaciones y puesta en obra de hormigón. Universidad Politécnica de Madrid. Escuela Técnica Superior de Ingenieros de Caminos, Canales y Puertos. Madrid, 360 pp. ISBN: 84-7493-205-X.
Figura 1. Animación del funcionamiento de una machacadora de mandíbulas. https://www.pinterest.es/pin/858639485203690372/
Las machacadoras de mandíbulas están diseñadas para satisfacer las necesidades de trituración primaria de los clientes de los sectores de canteras, minería y reciclaje (Figura 1). Se utiliza principalmente para triturar materiales con una resistencia a la compresión de hasta 320 MPa, caracterizados por su alta relación de reducción, alta producción, granulometría homogénea, estructura sencilla, funcionamiento fiable, fácil mantenimiento y bajo coste de operación, entre otras ventajas.
Para estimar su capacidad de producción, se pueden consultar los datos de los fabricantes o bien utilizar fórmulas empíricas. Entre dichas fórmulas, cabe mencionar la propuesta de Gieskieng en 1950.
En la Figura 2 se presenta un esquema de una machacadora de mandíbulas, elaborado por el profesor Pedro Martínez Pagán (Universidad Politécnica de Cartagena).
Figura 2. Esquema de machacadora de mandíbulas (Martínez, 2010)
Os adjunto un problema resuelto sobre el cálculo de la capacidad de una trituradora mediante la fórmula empírica de Gieseking. Espero que os resulte interesante.
FUEYO, L. (1999). Equipos de trituración, molienda y clasificación: tecnología, diseño y aplicación. Editorial Rocas y Minerales. 1ª edición. Fueyo Editores. Madrid, 371 pp. ISBN: 84-923128-2-3.
LÓPEZ JIMENO, C. (ed.) (1998). Manual de áridos. Prospección, explotación y aplicaciones. E.T.S. de Ingenieros de Minas de Madrid, 607 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.
MARTÍNEZ PAGÁN, P. (2021). Ejercicios resueltos de plantas de tratamiento de recursos minerales. Universidad Politécnica de Cartagena, CRAI Biblioteca, Cartagena, 211 pp.
TIKTIN, J. (1994). Procesamiento de áridos: instalaciones y puesta en obra de hormigón. Universidad Politécnica de Madrid. Escuela Técnica Superior de Ingenieros de Caminos, Canales y Puertos. Madrid, 360 pp. ISBN: 84-7493-205-X.
En el procesamiento de áridos se necesita energía para reducir el tamaño del material que entra en una máquina de fragmentación. Calcular la energía necesaria no solo es interesante desde el punto de vista teórico, sino que también permite estimar el coste energético de la operación.
Cuando se aplica una fuerza para romper una partícula, esta se deforma primero y almacena la energía aplicada. Si la fuerza aplicada supera el límite de resistencia del material, este se rompe y se consume cierta energía; la energía sobrante se transforma en calor, ruido y energía cinética, entre otras cosas.
Existen distintas leyes que proporcionan la energía necesaria para una operación de fragmentación determinada. La Ley de Rittinger es adecuada para partículas finas, de diámetro inferior a 74 μm, y establece que el área de la nueva superficie producida por el nuevo machaqueo o molienda es directamente proporcional al trabajo útil consumido. La Ley de Kick se aplica a partículas gruesas, de diámetro mayor a 10 cm, y establece que el trabajo requerido es directamente proporcional a la reducción de volumen entre las partículas antes y después de la operación de fragmentación o molienda.
Sin embargo, F. C. Bond (1951), a partir del estudio de un gran número de instalaciones, dedujo su Ley de Bond, según la cual el trabajo consumido es proporcional a la nueva longitud de la fisura producida por la rotura de las partículas, pues una vez creada la fisura, la roca parte. Esta ley cubre el vacío de las otras dos leyes anteriores para diámetros superiores a 74 μm y menores a 10 cm.
Para entender esta ley y otros conceptos, como la razón de reducción o la curva granulométrica, os dejo un problema resuelto y varios vídeos que espero que os resulten interesantes.
FUEYO, L. (1999). Equipos de trituración, molienda y clasificación: tecnología, diseño y aplicación. Editorial Rocas y Minerales. 1ª edición. Fueyo Editores. Madrid, 371 pp. ISBN: 84-923128-2-3.
LÓPEZ JIMENO, C. (ed.) (1998). Manual de áridos. Prospección, explotación y aplicaciones. E.T.S. de Ingenieros de Minas de Madrid, 607 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.
MARTÍNEZ PAGÁN, P. (2021). Ejercicios resueltos de plantas de tratamiento de recursos minerales. Universidad Politécnica de Cartagena, CRAI Biblioteca, Cartagena, 211 pp.
TIKTIN, J. (1994). Procesamiento de áridos: instalaciones y puesta en obra de hormigón. Universidad Politécnica de Madrid. Escuela Técnica Superior de Ingenieros de Caminos, Canales y Puertos. Madrid, 360 pp. ISBN: 84-7493-205-X.
Las trituradoras de rodillos cilindros lisos son máquinas robustas y sencillas que sirven para triturar productos, aunque se utilizan muy poco en la actualidad. El mecanismo de rotura del material es, fundamentalmente, la compresión pura. Consisten en dos rodillos enfrentados y separados por una cierta distancia que giran en sentidos opuestos a la misma velocidad (Figura 1). Normalmente, se mueven mediante dos motores independientes. Los rodillos tienen una camisa de acero al manganeso para protegerlos del desgaste.
Uno de los rodillos se monta sobre unos topes contra los cuales es presionado por unos muelles o por un sistema hidráulico, lo que sirve de medida de seguridad en caso de que se introduzca un material no triturable. El otro cilindro se monta sobre unos soportes que permiten regular su posición y establecer una distancia mayor o menor entre ellos, lo que se conoce como regulación de la máquina.
El tamaño máximo del material que entre en esta trituradora, el diámetro de los rodillos, el coeficiente de fricción entre el acero y las partículas del material y la separación entre los rodillos son factores que se encuentran relacionados entre sí (Figura 2). A modo de ejemplo, os planteo un problema en el que se resuelve el cálculo del diámetro de los rodillos en función del resto de las variables mencionadas, así como algún vídeo ilustrativo.
Figura 2. Geometría de un triturador de rodillos lisos
LÓPEZ JIMENO, C. (ed.) (1998). Manual de áridos. Prospección, explotación y aplicaciones. E.T.S. de Ingenieros de Minas de Madrid, 607 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.
Si a un jefe de grupo experimentado le preguntamos cuántas obras puede llevar simultáneamente, obtendremos respuestas de todo tipo. Dirá que es función del tipo de obra, de la experiencia de los equipos que trabajan en cada una de ellas, de los costes y de los plazos. Incluso te contestaría que depende de su capacidad de aguante y de las horas que dedique a esta tarea. La misma pregunta se podría plantear en el caso de un encargado de obra y el número de tajos que puede supervisar sin que la obra llegue a ser un caos.
Se trata de un problema complejo que algunos incluso considerarían subjetivo. No obstante, me gustaría presentar un esquema conceptual que permita abordar el problema teniendo en cuenta la necesidad de supervisión de cada obra, las horas de trabajo diarias, la producción de cada sección y los costes económicos de la dirección de equipos. Veamos entonces cómo plantearlo.
A veces es necesario dar servicio a un equipo que se ha quedado fuera de servicio de forma imprevista y aleatoria. En estos casos, no se sabe cuándo se debe proporcionar el servicio ni cuánto tiempo debe durar. Debemos utilizar las leyes de probabilidad para determinar el número de unidades de servicio de apoyo necesarias para evitar esperas innecesarias.
La probabilidad de que 0, 1, 2, …, n equipos se queden fuera de servicio puede estimarse con la distribución binomial. De esta forma, la probabilidad de que se queden m equipos fuera de servicio de un conjunto de n, siendo p la probabilidad de estar fuera de servicio y q = 1 – p, la de que estén en operación, sería la siguiente:
De esta forma, se puede determinar el porcentaje del tiempo durante el cual algunos equipos permanecerán fuera de servicio y el tiempo perdido resultante.
Para aclarar estos conceptos, os resuelvo un problema en el que se trata de averiguar si es rentable, para un caso determinado, contratar a más encargados de obra para que un conjunto de equipos de encofradores se encuentre trabajando lo máximo posible. Este es uno de los casos estudiados en el “Curso de gestión de costes y producción de la maquinaria empleada en la construcción”. Espero que os sea de interés.
