Perforación rotativa por corte

Figura 1. Secuencia de corte

La perforación rotativa por corte tuvo su máximo desarrollo en la década de los 40 en las minas de carbón americanas. Hoy día su uso se limita a las rocas blandas y de pequeños diámetros, aunque en los trabajos a cielo abierto este sistema entra en competencia con el arranque directo y en los trabajos subterráneos con la perforación rotopercusiva.

Con este sistema, la fuerza de avance trata de mantener en contacto el útil de corte con la roca, de forma que el filo sea el encargado de realizar los sucesivos cortes.

El corte se realiza con bocas que presentan elementos de carburo de tungsteno u otros materiales como los diamantes sintéticos, pudiéndose distinguir varios tipos:

  • Bocas bilabiales o de tenedor, en diámetros de 36 a 50 mm
  • Bocas trialetas o multialetas, en diámetros de 50 a 115 mm
  • Bocas de labios reemplazables, con elementos escariadores y perfil de corte escalonado, en diámetros de 150 a 400 mm
Figura 2. Tipos de bocas para perforación por corte

El ángulo de ataque α del útil de corte varía entre 110º y 140º, siendo más obtuso cuanto más dura sea la roca. El ángulo del labio de corte β varía entre 75º y 80º. El ángulo de corte γ oscila entre -6º y 4º, siendo positivo en rocas blandas y negativo en las duras.

Figura 3. Ángulos característicos de un útil de corte

 

Figura 4. Trayectoria de un punto de la boca

Existe una relación empírica entre el diámetro de perforación, la velocidad de penetración y el tipo de roca:

donde

Vp = Velocidad de penetración

μ = Coeficiente de fricción de la roca

E = Empuje sobre la boca

Vr = Velocidad de rotación

re = Radio efectivo de la roca

Ev = Energía específica de la roca

Ar = Área de la sección transversal del barreno

 

Sin embargo, en la práctica existe una desviación importante de los datos, pues el coeficiente de fricción depende del empuje y la velocidad de rotación se limita por el desgaste continuo que se produce en las bocas al aumentar el número de revoluciones.

Figura 5. Relación entre el empuje y la velocidad de penetración

En la práctica, se pueden definir dos campos claros de operatividad de este sistema de perforación rotativa:

  • Aquellas rocas de resistencia a compresión menor a 80 MPa
  • Rocas con contenido en sílice menor al 8%, para evitar un desgaste excesivo

La eliminación del detrito de perforación suele realizarse con un fluido de barrido que puede ser aire, en los trabajos a cielo abierto o agua o aire húmedo en los trabajos de interior. Emplear aire con inyección de agua no sólo facilita la evacuación del detritus y favorece la velocidad de avance, sino que también refrigera las bocas de perforación y disminuye su desgaste. Además, evita el colmatado de la perforación y elimina el polvo. Se necesita aproximadamente de 1000 a 1500 l/min de aire y por cada perforadora unos 250 cm3/min de agua.

En rocas muy blandas (30 a 40 MPa) puede emplearse varillaje helicoidal, de paso mayor cuanto más grande sea la velocidad de penetración, para evacuar el residuo de la perforación.

Figura 6. Varilla helicoidal y bocas de perforación

Os dejo a continuación un vídeo donde explico, en general, la perforación rotativa de rocas. Espero que os complemente la información anterior.

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.

YEPES, V. (2016). Procedimientos de construcción de cimentaciones y estructuras de contención. Colección Manual de Referencia. Editorial Universitat Politècnica de València, 202 pp. Ref. 328. ISBN: 978-84-9048-457-9.

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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.