Figura 1. https://www.epiroc.com/es-es/products/rock-drilling-tools/geotechnical-drilling-tools/large-diameter-drilling-solustions/cluster-drills
El sistema Cluster-Drill constituye un avance en la técnica de perforación rotopercutiva diseñado especialmente para perforaciones de gran diámetro. Este sistema está conformado por un conjunto de martillos en fondo (DTH) que resulta ideal para la construcción de chimeneas.
Los diámetros de las perforaciones abarcan desde 915 mm hasta 1778 mm. Este sistema permite alcanzar grandes profundidades, llegando hasta los 300 m en roca dura y abrasiva.
Además de posibilitar la perforación de cada martillo TDH de manera independiente, también incorpora un módulo rotativo que los contiene. Este módulo principal puede extenderse para recoger los detritos generados durante el proceso.
Figura 2. https://www.epiroc.com/es-es/products/rock-drilling-tools/geotechnical-drilling-tools/large-diameter-drilling-solustions/cluster-drills
Os paso un vídeo de Atlas Copco de este sistema de perforación.
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. (2014). Maquinaria para sondeos y perforaciones. Apuntes de la Universitat Politècnica de València, Ref. 209.
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.
Figura 1. Martillo en cabeza. http://osebe.es/perforaciones-con-martillo/
En una entrada anterior ya se comentaron los fundamentos básicos de la perforación a rotopercusión. El principio de perforación de estos equipos se basa en el impacto de una pieza de acero llamada pistón, sobre un útil, que a su vez transmite la energía al fondo del barreno, por medio de un elemento final denominado boca o bit. Este sistema de perforación suele usarse en terrenos muy duros y semiduros. Estas perforadoras, tal y como se comentó anteriormente, pueden tener el martillo en cabeza o en fondo.
La potencia necesaria de un martillo se puede estimar mediante la siguiente expresión:
donde,
P = potencia del martillo
pf = presión del fluido (aire o aceite) en el interior del cilindro
s = superficie de trabajo del pistón
Ip = carrera del pistón
mp = masa del pistón
Figura 2.- Elementos para el cálculo de la potencia del martillo
Es posible estimar la velocidad de penetración Vp1 para un diámetro dado d1, cuando, utilizando el mismo equipo en similares condiciones, se conoce la velocidad Vp2 que se alcanza para otro diámetro d2.
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.
Jumbo es el nombre que recibe una unidad de perforación equipada con uno o varios martillos perforadores sobre brazos hidráulicos donde puede montarse un martillo de perforación o una cesta donde pueden alojarse uno o dos operarios y que permite el acceso a cualquier parte del frente. Es una máquina diseñada para realizar labores subterráneas de forma rápida y automatizada: avance de túneles y galerías, bulonaje y perforación transversal, banqueo con barrenos horizontales y minería por corte y relleno, entre otras.
El mecanismo de traslación de los jumbos normalmente es autopropulsado por un tractor montado sobre neumáticos, cadenas o carriles, aunque existen modelos remolcados. Cuando trabajan se estacionan y su accionamiento es eléctrico, aunque pueden disponer de un motor diésel para el desplazamiento.
Los martillos perforadores son hidráulicos para conseguir mayores potencias que los neumáticos, funcionando a rotopercusión: la barrena gira continuamente ejerciendo a la vez un impacto sobre el fondo del taladro. Se precisa un aporte de agua para arrastrar los detritus y refrigerar la boca de perforación.
Con esta máquina se pueden alcanzar rendimientos que superan los 3,5 m/min de velocidad instantánea de perforación. Además, están computerizados, de forma que se automatiza la dirección de los taladros, el impacto y la velocidad de los martillos, e incluso la secuencia y disposición de los taladros. En pocas horas, un solo operario puede perforar la pega completa del frente del túnel.
A continuación os dejo varios vídeos donde podemos ver esta máquina de perforación en funcionamiento. El primero es de un jumbo AMV con 3 brazos para perforación y un brazo con canastillo.
Referencias:
YEPES, V. (2022). Maquinaria para sondeos, movimientos de tierras y construcción de firmes. Apuntes de la Universitat Politècnica de València, Ref. 22.
La perforación con martillo en fondo (D.T.H. down the hole), desarrollada por Stenuick en 1951, se basa en que un martillo golpea directamente la boca en el fondo de la perforación. De esta forma se evita la pérdida de energía transmitida por la percusión del pistón a través del varillaje (a partir de 15-20 m, los martillos en cabeza dejan de ser efectivos). Hoy se pueden alcanzar profundidades superiores a los 100 m con rendimientos de 60 a 100 m/turno. El martillo en fondo y la boca forman una unidad integrada dentro del barreno. Esto garantiza una velocidad de perforación bastante homogénea con el aumento de la profundidad del taladro, aunque es normal que disminuya la velocidad al reducirse la velocidad de barrido con la profundidad. El accionamiento del pistón se lleva a cabo neumáticamente, mientras que la rotación puede ser neumática o hidráulica.
El martillo DTH consta de un cilindro cuya longitud es función de la carrera del pistón y de diámetro acorde con el diámetro de perforación. En el extremo de este cilindro se aloja la boca de perforación, alojada en un portabocas. El varillaje se sustituye por un tubo hueco que conecta el martillo con el equipo y que se encarga de transmitir el par de rotación y la fuerza de avance. Los barrenos perforados con martillo en fondo acusan mínimas desviaciones, consiguiendo buenos resultados en rocas muy fracturadas. El varillaje, compuesto por tubos de igual diámetro en toda la longitud, no tiene acoplamientos que puedan atascar la perforación. La rotación la realiza un motor neumático o hidráulico montado en el carro, al igual que el sistema de avance. El aire de escape limpia el detritus y lo transporta al exterior.
El campo de aplicación del martillo DTH son las rocas de resistencia a compresión media-alta (60-100 MPa), utilizando como diámetros más frecuentes los comprendidos entre 85 y 200 mm, aunque podrían ampliarse a diámetros mayores entrando en competencia con los sistemas rotopercutivos hidráulicos con martillo en cabeza. La velocidad de penetración de estos martillos, para diámetros entre 105 y 165 mm, es de 0,5 a 0,6 m/min, con presiones de trabajo entre 1800 kPa y 2000 kPa. La frecuencia de golpeo oscila entre 600 y 1600 golpes por minuto. En cuanto al empuje, son necesarios unos 85 kg por cada cm de diámetro. Para hacerse una idea, con diámetros de 125 mm podemos obtener el doble de potencia que con un diámetro de 100 mm, a igualdad de presión y carrera de pistón.
Hoy en día, el sistema DTH, en el rango de 76 a 125 mm, se está sustituyendo por la perforación con martillo hidráulico en cabeza.
Las ventajas de la perforación con martillo DTH, frente a otros sistemas son:
Velocidad de penetración prácticamente constante con el aumento de la profundidad de perforación
Salvo en rocas muy abrasivas, desgastes de las bocas menores que con martillo en cabeza
Vida más larga de los tubos que de las varillas y manguitos de los martillos en cabeza
Desviaciones pequeñas de los barrenos, por lo que son adecuados para profundidades largas
Menor energía de impacto y más frecuencia, lo cual es apto para macizos muy fracturados o desfavorables
Par y velocidad de rotación menor que otros métodos
No necesitan barras de carga, lo cual permite pequeños carros de perforación para barrenos de gran diámetro y profundidad
Menor coste por metro lineal que con perforación rotativa en diámetros grandes y rocas muy duras
Consumo de aire comprimido más bajo que con martillo en cabeza neumático
Nivel de ruido inferior al estar el martillo dentro de la perforación.
En cuanto a los inconvenientes de este sistema:
Velocidades de penetración bajas
Cada martillo está diseñado para una gama de diámetros muy estrecha que oscila en unos 12 mm
El diámetro más pequeño está limitado por las dimensiones del martillo para un rendimiento aceptable (unos 76 mm)
El costo de un martillo de fondo es muy elevado frente a la pequeña inversión de un tren de varillaje
Riesgo de pérdida del martillo en el interior de la perforación
Se necesitan compresores de alta presión con elevados consumos energéticos.
Os dejo a continuación algunos vídeos de este sistema de perforación. En el primero os dejo un Polimedia que espero os sea útil.
En el siguiente vemos una máquina perforadora neumática Stenuick modelo MD25-60 con motor de rotación Stenuick mod F574, martillo del fondo de 2″, broca de carburo de tungsteno de 2 ¾ ” y 3″ y tubos de perforación de 60 mm de diámetro por 2 m.
En este vemos una perforación de anclajes con martillo de fondo para la estabilización de un talud en roca meteorizada de basalto.
En este otro se puede ver una perforación con DTH a través de estructuras geotécnicas para la ejecución de inyecciones de contacto en una estructura subterránea.
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. (2014). Maquinaria para sondeos y perforaciones. Apuntes de la Universitat Politècnica de València, Ref. 209.
La forma habitual de perforación de una roca a rotopercusión es la perforación con martillo en cabeza. El principio de corte se basa en el impacto realizado en el exterior de la perforación de un pistón de acero sobre una barrena o varillaje, que a su vez transmite la energía al fondo del taladro por medio del elemento final (boca) que fragmenta en esquirlas la roca. Para asegurar una sección circular en el barreno, a cada golpe gira el útil para presentar a su corte nueva roca virgen en el fondo del barreno. Además, es preciso evacuar del barreno los detritus (barrido), lo que se consigue mediante insuflado de aire al fondo del taladro. Parte de la energía del impacto se pierde en la transmisión y en los cambios de sección del varillaje, por lo que la velocidad de penetración de la perforación disminuirá con la profundidad del barreno. Es un sistema que conceptualmente es similar al barrenado manual, donde un operario golpea con una maza la cabeza de una barrena.
Se pueden distinguir los martillos manuales de las perforadoras de martillo en cabeza propiamente dichas. Los primeros son equipos sencillos, actualmente en desuso, salvo en demoliciones o perforaciones de pequeña sección no mecanizable. Los segundos son equipos pesados que, en consecuencia, precisan de su montaje en chasis especiales.
Las perforadoras con martillo en cabeza pueden accionarse mediante martillos neumáticos y martillos hidráulicos. El desarrollo de los martillos hidráulicos en los años sesenta y comienzos de los setenta supuso un gran avance tecnológico en la perforación de rocas.
Tanto las perforadoras neumáticas como las hidráulicas constan de los siguientes elementos:
Un cilindro que con su movimiento alternativo golpea el extremo de una barrena
Un mecanismo de rotación incorporado al pistón (barra rifle o rueda trinquete) o independiente de este (motor de rotación)
Un sistema que permite el barrido del barreno mediante una aguja de barrido que atraviesa el pistón o bien por medio de la inyección del fluido de barrido lateralmente en la cabeza frontal de la perforadora
Perforadoras neumáticas
El accionamiento de estas perforadoras es mediante aire comprimido, con una misma presión tanto para el mecanismo de impacto como para el aire de barrido. Son perforadoras que se han empleado de forma tradicional para barrenos de menos de 150 mm de diámetro. Su peso y tamaño son menores que el de las perforadoras hidráulicas. Presentan un consumo de aire de unos 2,1-2,8 m³/min por cada centímetro de diámetro, la velocidad de rotación es de 40-400 rpm y la carrera del pistón de 35-95 mm.
La rotación del varillaje puede realizarse mediante:
Barra estriada o rueda de trinquete: Muy generalizado en perforadoras ligeras
Motor independiente: Barrenos de gran diámetro
Las longitudes de perforación con este sistema no superan habitualmente los 30 m debido a las importantes pérdidas de energía debidas a la transmisión de la onda de choque y a las desviaciones de los barrenos. Lo normal es utilizar barrenos cortos, con longitudes entre 2 y 15 m y el empleo de diámetros pequeños, entre 38 y 100 mm. Además, a medida que aumenta la longitud del barreno, se precisa de una mayor presión de aire de barrido.
Entre las ventajas de las perforadoras neumáticas cabe destacar las siguientes:
Gran simplicidad
Fiabilidad y bajo mantenimiento
Facilidad de reparación
Precios de adquisición bajos
Perforadoras hidráulicas
Estos equipos se introdujeron al principio en los trabajos subterráneos, pero poco a poco, se están imponiendo en la perforación en superficie. Estructuralmente, la perforadora hidráulica es similar a la neumática, aunque el accionamiento se realiza mediante un grupo de bombas que suministran un caudal de aceite que impulsa los componentes. Además, estas unidades van equipadas con un compresor cuya función es suministrar aire para el barrido del detritus, pudiéndose incrementar la presión del aire con la profundidad del barreno. La presión de trabajo de estos equipos ronda entre 7,5 y 25 MPa, la potencia de impacto entre 6 y 20 kW y la velocidad de rotación entre 0 y 500 rpm. Aquí el consumo relativo de aire comprimido es menor, entre 0,6 y 0,9 m³/min por cada centímetro de diámetro.
Respecto a las neumáticas, necesitan de una mayor inversión inicial, siendo las reparaciones más complejas y costosas, y requiriendo una mejor organización y formación del personal de mantenimiento. En cambio, las ventajas tecnológicas de las perforadoras hidráulicas son las siguientes:
Menor consumo de energía: tres veces menos
Menor coste de accesorios de perforación: incremento del 20% de la vida útil del varillaje
Mayor capacidad de perforación: velocidades de penetración entre un 50 y un 100% mayores
Mejores condiciones ambientales: más limpios y silenciosos
Mayor elasticidad en la operación: posibilidad de variar la presión de accionamiento, la energía y la frecuencia de golpeo
Mayor facilidad para la automatización: cambio de varillaje, mecanismos antiatranque, etc.
Carro para martillo en fondo semihidráulico AirROC D45 (Atlas Copco)
Os dejo un Polimedia explicativo sobre este sistema de perforación que espero os sea útil.
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.
La perforación a rotopercusión es el sistema clásico de perforación de barrenos que aparece con el desarrollo industrial del siglo XIX. Este sistema, junto con la invención de la dinamita, constituyen dos hitos en el desarrollo del arranque de rocas en minería y obras civiles. Este tipo de perforadoras se usan tanto en obras públicas subterráneas como en minas o explotaciones a cielo abierto: túneles, carreteras, cavernas de centrales hidráulicas, etc.
El principio de perforación de estos equipos se basa en el impacto de una pieza de acero llamada pistón, sobre un útil, que a su vez transmite la energía al fondo del barreno, por medio de un elemento final denominado boca o bit. Este sistema de perforación suele usarse en terrenos muy duros y semiduros.
Las acciones básicas que tienen lugar sobre el sistema de transmisión de energía hasta la boca de perforación son las siguientes:
La percusión: los impactos producidos por el golpe del pistón originan unas ondas de choque se que transmiten a la boca a través del varillaje
La rotación: se hace girar la boca para cambiar la zona de impacto
El empuje: para mantener en contacto la roca con la boca
El barrido: donde el fluido permite extraer el detritus del fondo del barreno
Dependiendo del lugar donde esté instalado el martillo, las perforadoras a rotopercusión se clasifican en:
Perforadoras con martillo en cabeza, que a su vez pueden ser de accionamiento neumático o hidráulico. Aquí la rotación y la percusión se producen fuera del barreno, transmitiéndose a través de una espiga y del varillaje hasta la boca de perforación.
Perforadoras con martillo en fondo, en inglés Down the Hole (D.T.H.), donde la acción del pistón se lleva a cabo de una forma neumática y la acción de rotación puede ser tanto de tipo hidráulico como neumático. En ese caso la percusión se realiza directamente sobre la boca de perforación, mientras que la rotación se efectúa en el exterior del barreno.
Las gamas más habituales de diámetros utilizados con estas perforadoras dependen del campo de aplicación, según se puede ver en la tabla siguiente:
Tipo de perforadora
Diámetro de perforación (mm)
Cielo abierto
Subterráneo
Martillo en cabeza
50 – 127
38 – 65
Martillo en fondo
75 – 200
100 – 165
En los martillos manuales, la rotación se transmite a través del buje de rotación del martillo y se acciona por el propio mecanismo del pistón, en función de los impactos: a menor número de impactos, debe corresponder un menor par de rotación.
En los equipos de perforación pesados, la rotación se acciona a través de un motor independiente, lo que permite actuar bien sobre la rotación, bien sobre la percusión, según los condicionantes del terreno.
Como ventajas de la perforación rotopercutiva se pueden señalar las siguientes:
Su aplicación a todo tipo de rocas, blandas o duras
Amplia disponibilidad de diámetros
Versatilidad en los equipos y gran movilidad
Se maneja con un solo operario
Rapidez y accesibilidad en el mantenimiento de los equipos
Precio de adquisición no muy elevado
En el siguiente Polimedia podéis ver una explicación sobre este sistema.
En el vídeo que os muestro a continuación, podéis ver cómo golpea una perforadora con martillo de fondo. Espero que os guste.
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.
UNIÓN ESPAÑOLA DE EXPLOSIVOS (1990). Manual de perforación. Rio Blast, S.A., Madrid, 206 pp.
