Perforar la roca: fundamentos y tecnologías de la rotopercusión

1. Introducción

La perforación a rotopercusión es uno de los métodos más utilizados para atravesar rocas duras y competentes. Su funcionamiento combina cuatro acciones que deben actuar de forma coordinada: percusión, rotación, empuje y barrido. La percusión proporciona la energía necesaria para romper la roca; la rotación desplaza la posición del impacto; el empuje mantiene la boca contra el fondo y el barrido retira los fragmentos generados durante la perforación.

La idea puede entenderse imaginando una boca de perforación apoyada sobre una superficie rocosa. Un golpe aislado produciría una fractura localizada, pero los golpes sucesivos tendrían lugar prácticamente en el mismo punto si la boca permaneciera inmóvil. La rotación hace que cada impacto reciba una zona ligeramente distinta de la roca. El empuje garantiza que la energía del golpe llegue al terreno, y el barrido evita que los fragmentos permanezcan en el fondo y se trituren repetidamente.

La rotopercusión se ha convertido especialmente en una tecnología de referencia para la roca dura. Puede utilizarse en voladuras, minería subterránea, anclajes, micropilotes, inyecciones, pozos de agua, geotermia e investigación minera. La elección del sistema depende principalmente del diámetro requerido, la profundidad, la dureza y la fracturación de la roca, la presencia de agua y las exigencias de rectitud o de calidad de la muestra.

Desde el punto de vista tecnológico, existen tres formas principales de transmitir el golpe a la roca. En el martillo en cabeza, el mecanismo de percusión se encuentra en la superficie y la energía se transmite por la sarta de perforación. En el martillo de fondo, conocido como DTH, el pistón está situado directamente sobre la boca. En el sistema COPROD, las varillas de impacto se encuentran dentro de tubos de rotación para combinar determinadas ventajas de los sistemas anteriores.

Métodos de perforación por rotopercusión. https://www.monografias.com/trabajos68/tubos-exploracion-taladros-explotacion-subterranea/tubos-exploracion-taladros-explotacion-subterranea2

2. Cómo rompe la roca la rotopercusión

La percusión es la acción dominante del proceso. Un pistón produce un golpe que genera una onda de choque que se propaga a través de los elementos metálicos hasta alcanzar la boca y la roca. En el martillo en cabeza, el pistón golpea la culata; en el DTH, el pistón golpea directamente la boca. Esta diferencia, aparentemente sencilla, tiene importantes consecuencias en la transmisión de energía y en el comportamiento de la perforación.

Las cuatro funciones del martillo en cabeza

Cuando la onda llega a la boca, la presión ejercida por los botones o plaquitas genera una zona triturada inmediatamente por debajo del punto de contacto. Alrededor de esta zona se desarrollan grietas radiales que permiten desprender pequeños fragmentos de roca. Una parte considerable del trabajo de impacto se consume en la trituración localizada, mientras que las grietas permiten, finalmente, liberar el fragmento.

La onda de choque no desaparece al llegar a la roca. Una parte de la energía se utiliza en la rotura y otra se refleja hacia la sarta. Si el contacto entre la boca y la roca es deficiente, aumenta la energía reflejada y se incrementan las solicitaciones sobre los componentes metálicos. Por ello, una perforación eficaz no consiste simplemente en producir golpes cada vez más fuertes. Es necesario lograr una buena transmisión de la energía hasta la roca.

La velocidad de propagación de la onda en el acero es del orden de 5.200 metros por segundo. Esta elevada velocidad permite que los impactos se transmitan rápidamente, pero también explica por qué las deficiencias de contacto, las uniones y los cambios de sección pueden provocar reflexiones y pérdidas. El comportamiento de la sarta debe entenderse, por ello, como el de un sistema de transmisión de energía y no simplemente como un conjunto de tubos que transmite un movimiento mecánico.

La rotación cumple una función distinta. No es la responsable principal de romper la roca, sino de colocar la boca en una nueva posición antes del siguiente impacto. La cantidad de giro necesaria depende de la geometría de la boca. Las bocas con plaquitas requieren un giro mayor entre impactos, mientras que las bocas de botones pueden trabajar con incrementos angulares menores. El objetivo es evitar que los impactos sucesivos caigan exactamente en la misma zona.

El empuje completa la transmisión mecánica. Una presión insuficiente entre la boca y la roca provoca una mala transmisión de la energía, favorece la reflexión de la onda y puede causar problemas en las uniones roscadas. Un empuje excesivo tampoco mejora necesariamente la perforación: puede favorecer el pandeo de la sarta, aumentar la desviación y acelerar el desgaste. El operador debe buscar un equilibrio que mantenga la boca correctamente apoyada sin sobrecargar el sistema.

El cuarto elemento es el barrido. Los fragmentos generados por la rotura deben abandonar el fondo del sondeo. Para ello pueden emplearse aire, agua, niebla o espuma, según las condiciones del terreno y del sondeo. Cuando el barrido es insuficiente, los detritus permanecen en el fondo, se tritian de nuevo y obstaculizan el avance. También puede aumentar el riesgo de atasco de la sarta.

3. Martillo en cabeza

En un martillo en cabeza, la perforadora se encuentra en la superficie. El pistón actúa sobre la culata y la onda de choque se transmite sucesivamente a través del adaptador de culata, las varillas, los manguitos y, finalmente, por la boca. El sistema incorpora mecanismos independientes para la percusión, la rotación y el barrido, además de elementos destinados a amortiguar las ondas reflejadas.

Los equipos hidráulicos en cabeza operan habitualmente con presiones de accionamiento muy superiores a las de los sistemas neumáticos tradicionales. Las perforadoras hidráulicas suelen operar con presiones entre 7,5 y 25 MPa, potencias de impacto entre 6 y 20 kW y frecuencias que pueden alcanzar varios miles de golpes por minuto. La rotación puede abarcar un amplio rango, dependiendo de la perforadora, la boca y las condiciones del terreno.

La tecnología hidráulica presenta ventajas frente a la neumática en muchas aplicaciones. En las condiciones comparadas, se obtienen mayores velocidades de penetración, un menor consumo energético y una vida útil más prolongada del varillaje. Sin embargo, los equipos hidráulicos requieren una inversión y un mantenimiento mayores, así como personal con mayor cualificación. Los martillos neumáticos siguen teniendo interés en equipos manuales ligeros y en lugares donde ya existe infraestructura de aire comprimido.

Una característica fundamental del martillo en cabeza es que la energía debe recorrer toda la sarta antes de alcanzar la roca. Cada manguito introduce pérdidas y reflexiones. Se estima que cada manguito adicional provoca una pérdida de energía del 6 al 10 %, por lo que la energía disponible en la boca disminuye a medida que aumenta la longitud de la sarta. Esta característica explica una de las principales limitaciones del sistema: al aumentar la profundidad, la velocidad de perforación tiende a disminuir.

Esta pérdida progresiva tiene una consecuencia práctica muy relevante. El martillo en cabeza puede ser extremadamente productivo en barrenos cortos, pero pierde atractivo a medida que aumenta la longitud del barreno. A partir de una profundidad aproximada de entre 20 y 30 metros, los sistemas DTH o COPROD pueden ofrecer ventajas. No debe interpretarse como un límite universal, sino como una orientación para comprender el efecto de la longitud de la sarta.

4. Varillaje y bocas de perforación

La sarta de un martillo en cabeza está formada por varios elementos que deben trabajar conjuntamente. El adaptador de culata recibe el impacto del pistón; las varillas conducen la onda hacia el fondo; los manguitos permiten unir las varillas; y, finalmente, la boca transmite la energía a la roca. Las conexiones pueden utilizar diferentes tipos de rosca, como R32, T38, T45, T51 o GT60.

La selección de la varilla no depende únicamente del diámetro del barreno. También debe haber una correspondencia entre el diámetro, la resistencia de la varilla y la potencia de la perforadora. Por ejemplo, a medida que aumenta el diámetro de la varilla, también aumenta la potencia requerida. La finalidad es evitar que la sarta se convierta en el elemento limitante del equipo.

La boca es el elemento que entra en contacto directo con la roca. Se distinguen principalmente dos tipos de bocas: las de plaquitas y las de botones. Las primeras pueden presentar geometrías de cincel, cruz o X y ofrecen ciertas ventajas frente al desgaste del calibre. Las de botones pueden incorporar botones esféricos o balísticos, así como distintas geometrías frontales. Estas últimas permiten, en general, mayores velocidades y más metros entre operaciones de afilado.

La geometría de la boca también influye en la desviación. Las configuraciones cóncavas, de centro hundido o retráctil, pueden ayudar a mantener una trayectoria más recta en determinadas condiciones. Por ello, elegir una boca no consiste únicamente en seleccionar el diámetro adecuado. También hay que considerar la dureza, la abrasividad y la estructura de la roca, así como la necesidad de mantener el sondeo dentro de una tolerancia geométrica determinada.

El desgaste de la boca debe vigilarse durante la operación. Una boca excesivamente desgastada puede reducir el rendimiento, modificar el comportamiento de perforación y aumentar los esfuerzos en el equipo.

5. Regulación de la perforación en cabeza

La regulación del martillo en cabeza puede entenderse como una secuencia de decisiones. Primero se establece una percusión adecuada a la resistencia de la roca. Después, se ajusta la rotación y, finalmente, se regula el empuje hasta lograr un funcionamiento estable. Esta secuencia aparece como pauta básica de operación y principio de los sistemas automáticos de control antiatasco actuales.

En una roca dura y competente puede utilizarse una mayor intensidad de percusión. En una roca blanda o fracturada, conviene reducirla para evitar que una proporción excesiva de la energía se refleje hacia la sarta. La rotación debe ajustarse para que el botón de calibre avance una distancia adecuada entre impactos. Un exceso de rotación puede aumentar el desgaste, mientras que una rotación insuficiente puede concentrar en exceso los impactos.

El empuje también debe regularse con cuidado. Si es demasiado bajo, la energía no se transmite correctamente. Si es demasiado elevado, pueden aparecer pandeo, desviación y desgaste prematuro. Una situación especialmente desfavorable se produce cuando el operador intenta compensar una baja velocidad de penetración simplemente aumentando el empuje. La causa del problema puede estar realmente en la percusión, la rotación, el desgaste de la boca o el barrido.

El barrido debe mantenerse a un nivel suficiente para garantizar la evacuación de los detritus. El uso de aire o de niebla puede proporcionar una velocidad de perforación superior a la obtenida con agua en determinadas condiciones. La elección del fluido también depende de las exigencias ambientales, de la presencia de agua y de la necesidad de controlar el polvo.

5.6. Martillo en fondo o DTH

El martillo en fondo, conocido como DTH, modifica radicalmente la transmisión de energía. En lugar de generar el golpe en la superficie y transmitirlo a través de las varillas, el pistón se sitúa directamente sobre la boca. El aire comprimido acciona el pistón y, simultáneamente, sale por la zona de la boca, lo que contribuye al barrido del fondo.

Esta disposición elimina buena parte de las pérdidas asociadas a la propagación de la onda a lo largo de una sarta larga. La energía se genera prácticamente donde se necesita, lo que constituye una de las grandes ventajas del DTH: la velocidad de perforación se mantiene mucho más estable a medida que aumenta la profundidad, a diferencia de un martillo en cabeza. También favorece la rectitud del sondeo y permite trabajar de manera eficaz en perforaciones profundas.

Los DTH utilizados habitualmente pueden cubrir diámetros de aproximadamente 76 a 254 milímetros, aunque existen configuraciones más grandes para captaciones de mayor tamaño. En pozos de agua, los diámetros habituales son de 6 y 8 pulgadas, mientras que las grandes captaciones pueden requerir equipos de mayor tamaño. El martillo gira y recibe el empuje de la cabeza de perforación situada en la superficie.

La presión del aire es uno de los principales factores que influyen en el rendimiento del DTH. Al aumentar la presión disponible en el martillo, aumenta la velocidad de penetración. Esto no significa que cualquier aumento de presión sea siempre rentable: el equipo debe poder suministrar el caudal correspondiente y deben considerarse las pérdidas de presión, el consumo energético y las características del martillo.

El tamaño del martillo condiciona directamente el consumo de aire. El consumo aumenta notablemente al pasar de martillos pequeños a equipos de gran diámetro. Como referencia, un DTH de 6 pulgadas puede requerir alrededor de 17 metros cúbicos por minuto a una presión cercana a 17 bar, mientras que un martillo de 12 pulgadas puede superar los 50 metros cúbicos por minuto en condiciones similares.

La operación del DTH también exige controlar la rotación y el empuje. La rotación habitual se sitúa en un intervalo relativamente bajo, del orden de unas pocas decenas de revoluciones por minuto. Se proponen como referencia aproximada unos 10 milímetros de avance por vuelta. Para una velocidad de perforación determinada, la rotación se ajusta para que la boca distribuya adecuadamente los impactos en el fondo.

El empuje debe ser suficiente para mantener la boca trabajando contra la roca, pero sin sobrecargar el martillo. Conforme aumenta la profundidad, debe controlarse también el peso de la sarta. Se recomienda retener parte del peso del varillaje cuando sea necesario, para evitar que todo su peso se transmita directamente al martillo.

La lubricación es otro aspecto operativo relevante. El aire que atraviesa el martillo debe permitir el funcionamiento adecuado de sus componentes móviles. El consumo de aceite depende del caudal de aire y se recomienda prestar atención al engrase durante la incorporación de nuevos tubos.

7. El problema del agua en la perforación DTH

La presencia de agua modifica considerablemente las condiciones de trabajo del DTH. Una columna de agua sobre el martillo ejerce una presión que se suma a las exigencias del sistema de aire. Como referencia de diseño, se requiere aproximadamente 0,1 bar adicional por cada metro de columna de agua.

Esto significa que la profundidad del sondeo y la del nivel del agua no tienen el mismo efecto. Un sondeo puede alcanzar varios cientos de metros, pero si el nivel estático del agua está muy por encima del fondo, la contrapresión sobre el martillo será mucho mayor que en una perforación seca. Esta distinción resulta especialmente relevante al seleccionar el compresor.

El agua también modifica el comportamiento del aire durante el ascenso. Al aumentar la presión, el volumen ocupado por el aire disminuye y su velocidad efectiva puede reducirse. Por esta razón, un caudal que permite evacuar los detritus en superficie puede resultar insuficiente cerca del fondo cuando hay una gran columna de agua.

La solución puede requerir compresores de mayor presión, sistemas booster, descarga escalonada de la sarta o el empleo de espuma. Se contemplan equipos que operan a presiones de 25 a 35 bar y boosters capaces de alcanzar presiones mucho mayores. La espuma puede mejorar la evacuación de detritus cuando el aire por sí solo no ofrece condiciones suficientes.

Es importante analizar este tema antes de seleccionar el compresor. En un sondeo de 300 metros con el nivel de agua a 50 metros, un compresor nominal de 25 bar puede dejar una presión útil insuficiente al final del sondeo. En ese caso, el martillo pierde rendimiento y puede ser necesario recurrir a un booster.

8. Selección del compresor: caudal y presión

El compresor debe seleccionarse atendiendo a dos parámetros independientes pero relacionados: el caudal de aire y la presión disponible. El caudal debe ser suficiente para accionar el martillo y evacuar los detritus; la presión debe permitir que el martillo funcione correctamente, tras descontar la presión necesaria para vencer la columna de agua y las pérdidas en tuberías, mangueras, válvulas y sarta.

La velocidad ascensional del aire es un criterio práctico para evaluar la capacidad de limpieza del sondeo. Se pueden utilizar como referencia unos 15 metros por segundo como mínimo, unos 25 metros por segundo como valor recomendado y unos 35 metros por segundo como límite superior orientativo. Para detritus más pesados pueden requerirse velocidades mayores.

Un DTH de 6 pulgadas indica que un compresor de 21 metros cúbicos por minuto puede proporcionar una elevada velocidad de ascenso en la boca en condiciones secas. Sin embargo, cuando aparece agua sobre el martillo, la velocidad efectiva disminuye y puede quedar por debajo de lo necesario para transportar los fragmentos. El diseño del sistema de aire debe realizarse, por tanto, considerando las condiciones más desfavorables del sondeo y no únicamente el funcionamiento en superficie.

Un error frecuente consiste en seleccionar el compresor únicamente en función del consumo nominal del martillo. El sistema debe contar con capacidad adicional para compensar las pérdidas y mantener el barrido. En los sondeos profundos, esta diferencia puede ser decisiva. Un martillo perfectamente dimensionado puede funcionar de forma deficiente si el compresor no mantiene la presión útil en el fondo.

9. Circulación inversa con rotopercusión

La circulación inversa, o RC, introduce una modificación importante respecto del DTH convencional. El sistema utiliza un varillaje de doble pared. El aire circula por el espacio anular entre los tubos y el detritus asciende por el interior del tubo central. De este modo, la muestra no tiene que recorrer todo el espacio anular del sondeo antes de llegar a la superficie.

Esta configuración resulta especialmente útil para la investigación minera porque permite obtener muestras de detritus limpias y con menor riesgo de contaminación. La perforación RC puede proporcionar muestras a una velocidad muy superior a la de la perforación con testigo, aunque la información obtenida corresponde a fragmentos de roca y no conserva la información estructural que proporcionaría un testigo continuo.

Otra ventaja es la detección rápida de agua. Cuando se intercepta un acuífero, el sistema permite detectar la entrada de agua durante la perforación. Esta característica puede resultar especialmente útil en campañas de investigación de recursos hídricos.

El principal inconveniente es la elevada demanda de aire. La sarta de doble pared es pesada y costosa, y las pérdidas de presión pueden ser significativas. Cuando existe una columna de agua considerable, pueden ser necesarios compresores de alta presión y boosters.

En captaciones de gran diámetro puede utilizarse una configuración con rácor cruzado y campana. La campana recoge el detritus junto a la pared del sondeo y lo conduce al tubo interior. Se permiten diámetros de hasta 17½ pulgadas en una sola pasada y rendimientos del orden de 40 a 70 metros por día en determinadas condiciones.

El sistema exige equipos con gran capacidad de tiro y de par. También puede existir riesgo de atrapamiento de la campana, por lo que el diseño y la operación deben tener en cuenta tanto el rendimiento como la seguridad y la facilidad de recuperación de la sarta.

10. Entubado simultáneo

La perforación de recubrimientos sueltos plantea un problema distinto. Arcillas, arenas, gravas, rellenos y escolleras pueden desprenderse hacia el interior del sondeo y atrapar la sarta. En estas condiciones, perforar primero y entubar después puede resultar inviable. El entubado simultáneo permite solucionar el problema al avanzar la tubería mientras se perfora.

  • El sistema OD utiliza una tubería equipada con una corona de metal duro que avanza junto con la sarta interior mediante percusión y rotación. Cuando se alcanza la roca competente, la sarta interior puede continuar perforando mientras la tubería permanece instalada en el recubrimiento. Este sistema puede utilizarse en voladuras bajo agua, anclajes, micropilotes, pozos, inyecciones y en determinadas operaciones de muestreo.
  • El sistema ODEX emplea una boca piloto y un escariador excéntrico. Durante la perforación, el escariador se abre y genera un diámetro mayor que el de la tubería. La tubería puede avanzar sin necesidad de girar. Cuando se alcanza la roca, se invierte el sentido de giro y el escariador se cierra, lo que permite retirarlo por el interior de la tubería.

La principal ventaja del ODEX es que permite utilizar equipos relativamente compactos para atravesar recubrimientos. Se presentan configuraciones DTH de aproximadamente 3 a 8 pulgadas y profundidades máximas de recubrimiento que, según el diámetro y el equipo, pueden alcanzar hasta 100 metros.

Symmetrix y sistemas similares emplean una geometría concéntrica. Una boca piloto y una corona anular perforan simultáneamente, mientras que el piloto puede recuperarse por el interior y la corona permanece unida a la zapata de la tubería. Esta configuración proporciona una perforación más simétrica y favorece la rectitud, especialmente cuando se requieren diámetros grandes.

La selección entre OD, ODEX y Symmetrix depende del diámetro final, del espesor del recubrimiento, de la naturaleza del terreno y de si la tubería debe recuperarse o permanecer como revestimiento. Para recubrimientos relativamente pequeños pueden ser adecuados OD u ODEX. En pozos de agua o de geotermia con espesores importantes de grava, ODEX con DTH puede resultar apropiado. Para micropilotes, bolos, escolleras y grandes diámetros, los sistemas concéntricos ofrecen ventajas en términos de robustez y rectitud.

11. Desviación de los sondeos

La desviación es uno de los problemas que más claramente muestran que perforar no consiste únicamente en avanzar. El objetivo real es construir un sondeo con una trayectoria definida. La desviación puede originarse en errores de replanteo, de alineación o de emboquille, pero también en las características geológicas y en el comportamiento mecánico de la sarta.

La estratificación, la foliación, las fallas y los huecos pueden hacer que la boca tienda a seguir determinadas direcciones de menor resistencia. La llamada regla de los 15 grados indica que, cuando el ángulo entre la dirección de perforación y la foliación es pequeño, la boca tiende a seguirla. Con ángulos mayores, la perforación puede desviarse hacia una dirección perpendicular a la foliación.

La desviación tiende a aumentar con la profundidad. Esto explica por qué un pequeño error inicial puede convertirse en una diferencia considerable cuando el sondeo alcanza grandes longitudes. En una voladura, la consecuencia puede ser una fragmentación incontrolada o la aparición de repiés. En un pozo, puede dificultar la introducción de tuberías y bombas o provocar problemas durante la cementación.

El tipo de sistema de perforación también influye. Una sarta rígida y bien guiada favorece una trayectoria más recta. El DTH y el COPROD presentan una menor desviación que el martillo en cabeza en determinadas condiciones. En este último, el inicio de la desviación puede observarse entre los 17 y los 25 metros.

La prevención comienza antes de perforar. Es necesario alinear correctamente la máquina, utilizar guías adecuadas y controlar el emboquille. Durante la perforación pueden utilizarse bocas de centro hundido, cóncavas o retráctiles, además de ajustar el empuje, la rotación y el barrido. El emboquille debe realizarse con parámetros moderados para evitar que el sondeo se desvíe desde sus primeros metros.

Las técnicas modernas permiten controlar este fenómeno con mucha mayor precisión. Los equipos pueden incorporar inclinómetros, sistemas de medición de profundidad, navegación GNSS y láser. La tecnología MWD permite registrar parámetros de perforación y de desviación por barreno, lo que proporciona información que puede utilizarse para mejorar el control del proceso.

12. Costes de perforación

La comparación económica entre sistemas de perforación requiere algo más que comparar el coste de perforar un metro. Un equipo puede presentar un coste por metro superior y, sin embargo, producir un coste final menor si genera barrenos más adecuados para la operación posterior.

Como ejemplo, se compara un martillo hidráulico en cabeza de 89 mm con un sistema DTH de 115 mm en un banco de caliza dura de 15 metros. El martillo en cabeza tiene un coste menor por metro, mientras que el DTH es más eficiente cuando se analiza el coste por volumen de roca volada.

En la comparación estudiada, el martillo en cabeza alcanza un coste aproximado de 6,25 euros por metro, frente a 8,15 euros por metro del DTH. Sin embargo, al considerar el volumen de roca arrancada, los costes se sitúan en aproximadamente 0,58 euros por metro cúbico con el martillo en cabeza y 0,51 euros por metro cúbico con el DTH. La diferencia se explica por los distintos diámetros, espaciamientos y rendimientos asociados a cada sistema.

Este ejemplo muestra por qué la unidad económica debe elegirse según el objetivo de la perforación. Para una operación de voladura tiene más sentido analizar el coste por metro cúbico de roca correctamente fragmentada. Para un pozo, puede ser más apropiado considerar el coste por metro de sondeo terminado, que incorpore el entubado, el desarrollo y otros trabajos asociados.

El coste horario tampoco debe reducirse únicamente al combustible. Deben considerarse la amortización, los intereses, el mantenimiento, el personal, las herramientas de perforación y los tiempos auxiliares. Los cambios de varilla o de tubo, las maniobras, los tiempos de emboquille y las operaciones necesarias para completar cada barreno pueden modificar sustancialmente el rendimiento real del equipo.

13. Criterios para seleccionar el sistema

La selección de un sistema de rotopercusión puede organizarse en torno a cuatro preguntas: ¿qué diámetro se necesita?, ¿qué profundidad debe alcanzarse?, ¿cómo es la roca? y ¿hay agua? Estas preguntas deben complementarse con otras relacionadas con la rectitud, la calidad de la muestra, la necesidad de entubado y el coste final de la operación.

Para diámetros inferiores a 100 o 125 milímetros, profundidades menores de 20 o 30 metros y roca dura, el martillo hidráulico en cabeza constituye una alternativa atractiva, especialmente en barrenos de producción. Su sencillez y elevada productividad en perforaciones cortas son algunas de sus principales ventajas.

Cuando el diámetro se sitúa entre 90 y 250 milímetros y la profundidad supera los 30 metros, el DTH cobra mayor interés. Su capacidad para mantener la energía cerca de la boca, su comportamiento frente a la profundidad y su buena rectitud lo hacen adecuado para sondeos profundos. Si hay agua, será necesario comprobar que el sistema de aire dispone de suficiente presión.

El COPROD puede resultar atractivo para bancos de 20 a 30 metros y diámetros aproximados de 105 a 180 milímetros cuando se busca una producción elevada. La circulación inversa con martillo de centro hueco es especialmente apropiada cuando la calidad y la rapidez de la muestra son prioritarias. Para pozos de gran diámetro en roca dura, pueden utilizarse sistemas RC con campana y rácor cruzado o sistemas DTH de gran diámetro.

Cuando existe un recubrimiento suelto sobre la roca, la solución no consiste simplemente en cambiar de martillo. Es necesario plantear un sistema de avance de tubería, como OD, ODEX o Symmetrix, y posteriormente continuar con DTH u otro método apropiado en la roca competente.

Por el contrario, la rotopercusión no es necesariamente la mejor opción para todos los terrenos. Las rocas blandas, como las margas y las arcillas, pueden requerir métodos rotativos u otras tecnologías. La elección debe realizarse atendiendo al comportamiento real del terreno y no a la popularidad ni a la disponibilidad de un equipo concreto.

14. Tendencias tecnológicas

La evolución de la rotopercusión ha buscado aumentar la energía útil que llega a la boca, reducir las pérdidas y controlar mejor el proceso. El desarrollo histórico parte de las primeras perforadoras de percusión accionadas por vapor, pasa por la generalización del aire comprimido, el desarrollo del DTH y de los martillos hidráulicos, y llega actualmente a equipos controlados electrónicamente.

La automatización es una de las principales tendencias. Los equipos modernos pueden controlar automáticamente parámetros de percusión, rotación y empuje, incorporar cambiadores de varillas, realizar ciclos automáticos y utilizar sistemas de posicionamiento y navegación. El objetivo no es simplemente reducir la intervención del operador, sino mantener condiciones de perforación más constantes.

La tecnología MWD permite obtener información durante la perforación. Parámetros como la presión de percusión, el empuje, la rotación, la velocidad y la desviación pueden registrarse para cada barreno. Estos datos permiten construir mapas del comportamiento de la roca y, posteriormente, adaptar la perforación o incluso el diseño de la voladura.

Otra tendencia es el aumento de la presión disponible. Los DTH modernos pueden operar con presiones del orden de 25 a 30 bar, y los boosters permiten alcanzar presiones considerablemente mayores en aplicaciones profundas. Esta evolución resulta especialmente relevante tanto para pozos con niveles de agua profundos como para pozos con circulación inversa.

También se desarrollan martillos accionados por agua a presión. Esta tecnología puede reducir la necesidad de aire durante el sondeo y tiene aplicaciones potenciales en geotermia profunda y en terrenos difíciles. Paralelamente, la electrificación y los equipos alimentados por baterías se perfilan como líneas de desarrollo tanto en superficie como en minería subterránea.

La eficiencia energética constituye otro objetivo. Existen reducciones del consumo de combustible de hasta el 50 % en determinadas combinaciones de COPROD, SmartROC y sistemas de compresores regulados por demanda. Estas cifras deben interpretarse como referencias asociadas a equipos y condiciones concretos, pero muestran la dirección tecnológica: producir más roca útil con un menor consumo de energía.

15. Integración del proceso: del golpe al sondeo terminado

La comprensión completa de la rotopercusión exige dejar de analizar cada componente de forma aislada. El martillo, la boca, la sarta, el compresor y el sistema de evacuación forman un único sistema de perforación. Una mejora en un componente puede no producir ningún beneficio si otro elemento limita el rendimiento.

Por ejemplo, instalar un DTH de gran capacidad no garantiza una mayor producción si el compresor no suministra el caudal y la presión necesarios. Del mismo modo, disponer de un compresor potente no resuelve una desviación causada por una mala alineación, un exceso de empuje o una boca inadecuada.

La profundidad modifica progresivamente las condiciones de trabajo. En el martillo en cabeza, la longitud de la sarta incrementa las pérdidas de energía. En el DTH, la profundidad tiene menor influencia en la transmisión del golpe, pero puede aumentar considerablemente las necesidades de presión y las dificultades de evacuación cuando aparece agua.

La roca también altera el equilibrio entre percusión, rotación y empuje. Una roca dura y competente puede admitir una percusión elevada, mientras que una roca fracturada puede reflejar una parte importante de la energía. La estructura geológica, además, puede favorecer la desviación del sondeo. Por ello, los parámetros de operación deben ajustarse a las condiciones reales y no necesariamente mantenerse constantes durante toda la perforación.

Finalmente, el criterio económico debe considerar el resultado obtenido. El objetivo no es producir metros de sondeo de forma aislada, sino obtener un sondeo terminado que cumpla las especificaciones técnicas al menor coste global compatible con la operación. Se recomienda valorar el coste por volumen de roca volada o por metro de pozo terminado, según la aplicación.

16. Ideas fundamentales para el estudiante de ingeniería

La rotopercusión se basa en la acción conjunta de la percusión, la rotación, el empuje y el barrido. La percusión aporta la mayor parte de la energía de rotura, mientras que la rotación distribuye los impactos, el empuje mantiene el contacto con la roca y el barrido elimina el detritus. La energía se transmite como una onda de choque y una parte de ella se pierde o se refleja antes de alcanzar la roca.

El martillo en cabeza es especialmente competitivo en perforaciones relativamente cortas y de diámetros pequeños o medios. Su principal limitación es la pérdida progresiva de energía a lo largo de la sarta. El DTH coloca el pistón junto a la boca y permite mantener mejor la energía a mayor profundidad, aunque exige un sistema de aire comprimido de mayor capacidad y puede presentar un consumo energético elevado.

El compresor debe analizarse siempre desde dos puntos de vista: cuánto aire puede suministrar y a qué presión puede hacerlo. La presencia de agua puede convertir una perforación aparentemente sencilla en un problema de presión. La profundidad que realmente condiciona al martillo es, en especial, la columna de agua que queda sobre él, no simplemente la profundidad total del sondeo.

La circulación inversa es una solución especialmente valiosa cuando se necesita obtener muestras limpias y representativas o perforar grandes diámetros. El doble tubo separa el recorrido del aire y el de la muestra, pero aumenta la complejidad, el peso de la sarta y las necesidades de aire.

El entubado simultáneo permite resolver uno de los problemas más difíciles de la perforación: atravesar materiales inestables sin perder el sondeo. OD, ODEX y Symmetrix responden a necesidades distintas y deben seleccionarse según el diámetro, la profundidad del recubrimiento, la geometría requerida y el destino final de la tubería.

La desviación debe prevenirse desde el emboquille y controlarse durante toda la perforación. La geología y la mecánica de la sarta pueden modificar la trayectoria incluso cuando la máquina está correctamente alineada. Los sistemas actuales incorporan la medición, la navegación y el registro de parámetros para controlar este fenómeno con mayor precisión.

La selección final nunca debe basarse en un único parámetro. Diámetro, profundidad, dureza de la roca, fracturación, agua, rectitud, calidad de la muestra, necesidad de entubado, productividad y coste forman un conjunto. La mejor solución técnica es aquella que permite que todos estos factores sean compatibles con el objetivo del sondeo.

Referencias:

CÁNOVAS CARRASCO, V.M. (2026). Tecnología de Sondeos, Tema 5: Perforación a rotopercusión, Máster Universitario en Ingeniería de Minas, UPCT.

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.

YEPES, V. (2023). Maquinaria y procedimientos de construcción. Problemas resueltos. Colección Académica. Editorial Universitat Politècnica de València, 562 pp. Ref. 376. ISBN 978-84-1396-174-3

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Estimación de la velocidad de barrido en la perforación rotativa con triconos

Tricono con insertos. https://www.talleresegovia.com

La perforación rotativa con triconos se ha tratado en artículos anteriores. Se trata de uno de los procedimientos más extendidos y consiste en equipos grandes capaces de ejercer empujes elevados sobre la boca. En este artículo se explicará un procedimiento para calcular la velocidad de barrido.

El aire comprimido enfría y lubrica los cojinetes del tricono, limpia el fondo del barreno y eleva el detrito a la velocidad adecuada para el ascenso.

El aire circula desde el compresor hasta el mástil mediante un tubo y una manguera flexible protegida, pasando por la cabeza de rotación. A continuación, entra en la barra de perforación y llega a la boca, donde sale entre los conos, arrastrando los detritos y llevándolos a la superficie.

Si los fragmentos son grandes y el caudal de aire es insuficiente, vuelven al fondo y se remueven hasta alcanzar el tamaño adecuado. Esto genera un consumo innecesario de energía, una menor velocidad de penetración y un mayor desgaste de la boca. Por otro lado, una velocidad ascensional excesiva incrementa el desgaste del centralizador y de las barras de perforación.

A continuación se ofrece un nomograma original elaborado por el profesor Pedro Martínez Pagán para estimar la velocidad de barrido de perforación de un equipo rotary (Instituto Tecnológico Geominero de España, 1994).

 

Esta expresión incorpora la corrección por altura geográfica que hay que hacerle al caudal que proporciona un compresor por la pérdida que sufre:

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.
  • YEPES, V. (2014). Maquinaria para sondeos y perforaciones. Apuntes de la Universitat Politècnica de València, Ref. 209. Valencia, 89 pp.
  • YEPES, V. (2023). Maquinaria y procedimientos de construcción. Problemas resueltos. Colección Académica. Editorial Universitat Politècnica de València, 562 pp. Ref. 376. ISBN 978-84-1396-174-3

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Estimación de la velocidad de penetración en la perforación rotativa con triconos

https://construproductos.com/producto/perforadora-rotativa-md6290-CDf5f

La perforación rotativa con triconos es uno de los procedimientos más extendidos, y está constituido por grandes equipos capaces de ejercer elevados empujes sobre la boca. Esto se debe a que las unidades que trabajan con trépanos son más sencillas de diseño y de menor envergadura. Las perforadoras rotativas están formadas esencialmente por una fuente de energía, como una batería de barras o tubos individuales o conectados en serie, que transmite el peso de la rotación y el aire de barrido a una boca con dientes de acero o insertos de carburo de tungsteno que actúan sobre la roca.

En este tipo de perforación, la velocidad de penetración depende de muchos factores externos, como las características geológicas, las propiedades físicas de las rocas, la distribución de tensiones y la estructura interna. Por este motivo, determinar la velocidad de penetración durante el desarrollo de un proyecto es una tarea difícil para el ingeniero proyectista, pero necesaria, ya que la decisión que se tome va a incidir decisivamente en el resto de las operaciones.

Las fórmulas empíricas para estimar la velocidad de penetración son muy sencillas y se basan en ensayos de campo. En general, tienen en cuenta las siguientes variables: diámetro de la perforación, empuje sobre el tricono, velocidad de rotación y resistencia a compresión simple. La resistencia a compresión es la variable desconocida, cuyo valor se puede estimar fácilmente mediante un ensayo de laboratorio o de campo.

A continuación se ofrece un nomograma original elaborado por los profesores Pedro Martínez Pagán, Daniel Boulet y Trevor Blight para estimar el coeficiente de perforación de un equipo rotary basándose en la formulación empírica que dedujo Praillet en 1978. Esta fórmula es más fiable en todos los rangos de resistencias de las rocas y permite calcular el valor de la resistencia a compresión de la roca durante una operación en marcha.

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.
  • PRAILLET, R. (1984), Consideraciones de un fabricante de máquinas de perforación. Canteras y Explotaciones
  • 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. Valencia, 89 pp.
  • YEPES, V. (2023). Maquinaria y procedimientos de construcción. Problemas resueltos. Colección Académica. Editorial Universitat Politècnica de València, 562 pp. Ref. 376. ISBN 978-84-1396-174-3

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Fracturación hidráulica

De US Environmental Protection Agency, Office of Research and Development, Washington, DC – «The Hydraulic Fracturing Water Cycle», Dominio público, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=25673027

La fracturación hidráulica, comúnmente conocida como fracking, es una técnica que se utiliza para extraer hidrocarburos, como el gas natural y el petróleo, de formaciones rocosas subterráneas de baja permeabilidad, especialmente lutitas o esquistos. Este método ha revolucionado la industria energética, ya que permite acceder a recursos que antes eran inaccesibles, contribuyendo significativamente a la diversificación de las fuentes de energía.

El fracking consiste en perforar un pozo vertical hasta alcanzar la formación rocosa objetivo. Una vez en la profundidad deseada, la perforación se desvía horizontalmente, extendiéndose varios kilómetros dentro de la capa de lutita. A través de este pozo se inyecta una mezcla de agua, arena y productos químicos a alta presión. Esta presión fractura la roca, creando fisuras por las que se liberan los hidrocarburos atrapados, que son posteriormente extraídos a la superficie.

Evolución histórica de la fracturación hidráulica

El desarrollo del fracking no es un fenómeno reciente, sino el resultado de una evolución que se inició hace dos siglos. En 1821, la perforación del primer pozo comercial de gas de lutita cerca de Fredonia, en Nueva York, marcó el inicio de la explotación de este tipo de gas. Aunque este recurso era útil para la iluminación doméstica, no adquirió relevancia económica hasta mucho después. No fue hasta después de la Segunda Guerra Mundial, en un contexto de crecimiento industrial y demanda energética acelerada, cuando el gas natural comenzó a jugar un papel clave.

En las décadas de 1980 y 1990, los productores se enfrentaron al declive de los yacimientos convencionales y comenzaron a buscar alternativas en formaciones de baja permeabilidad, como el gas de las capas de carbón (CBM) y el gas de lutita (shale gas). Sin embargo, estos recursos presentaban limitaciones tecnológicas significativas, especialmente en lo que respecta a la capacidad para extraer hidrocarburos atrapados en micro o nanoporos. No fue hasta 2005 cuando la combinación de fracturación hidráulica y perforación horizontal demostró plenamente su viabilidad, lo que supuso un cambio de paradigma en la industria energética global.

El fracking ha transformado el panorama energético de países como Estados Unidos, donde se ha convertido en uno de los principales productores de petróleo y gas a nivel mundial. Sin embargo, esta técnica ha generado debates y regulaciones en diversas regiones debido a sus implicaciones ambientales. En Europa, por ejemplo, se ha analizado la dependencia del gas obtenido por fracking en otros países y se han criticado estas prácticas.

La historia del fracking es también una historia de innovación. Desde la mejora de los motores de fondo y los sistemas de telemetría hasta el diseño de fracturas más eficientes, cada avance ha contribuido a aumentar la recuperación de hidrocarburos y a reducir los costes asociados. Sin embargo, el desarrollo de estas tecnologías ha planteado también nuevos desafíos ambientales y sociales que no existían en las explotaciones convencionales.

De Battenbrook – Trabajo propio, CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=30796394

Fundamentos técnicos de la fracturación hidráulica

El fracking combina dos tecnologías clave: la perforación horizontal y la fracturación hidráulica. Ambas se han desarrollado para abordar el desafío que supone la extracción de hidrocarburos de yacimientos de baja permeabilidad, caracterizados por una porosidad extremadamente reducida y escasas conexiones entre los poros. Este tipo de formación geológica requiere la creación artificial de caminos por donde los hidrocarburos puedan fluir hacia los pozos de producción.

  • La perforación horizontal: Este enfoque, en contraste con la perforación vertical tradicional, permite acceder a una zona más extensa de la formación productora. Un pozo puede extenderse lateralmente varios kilómetros dentro del yacimiento, lo que aumenta considerablemente la cantidad de hidrocarburos que pueden recuperarse. Esto es especialmente relevante en yacimientos continuos como el gas de lutita, donde los hidrocarburos están distribuidos uniformemente en capas sedimentarias.
  • La fracturación hidráulica: Este proceso consiste en inyectar un fluido compuesto de agua, arena y aditivos químicos a alta presión. El agua actúa como medio de transporte, la arena como material de soporte de fracturas y los aditivos cumplen diversas funciones, como reducir la fricción, evitar la corrosión y mejorar la eficiencia del proceso. La fracturación crea redes de microfracturas en la roca madre, lo que aumenta la permeabilidad y permite que el gas o el petróleo fluyan hacia el pozo.
  • Avances tecnológicos adicionales: El uso de la telemetría avanzada (logging while drilling y measurement while drilling) proporciona datos en tiempo real sobre las condiciones del subsuelo. Esto permite ajustar la dirección del pozo y optimizar el diseño de las fracturas para maximizar la producción. Además, las fracturas multietapa, que dividen la sección horizontal del pozo en segmentos individuales, han demostrado ser una estrategia eficaz para estimular formaciones de gran tamaño.

Uno de los desafíos de los yacimientos de gas no convencional es el rápido declive de la producción. Este fenómeno obliga a perforar nuevos pozos de manera constante para mantener niveles de producción comercialmente viables. Por lo tanto, la explotación del gas de lutita es una actividad intensiva y duradera que requiere una planificación meticulosa y una inversión considerable.

Cómo funciona la fracturación hidráulica. https://www.todoporhacer.org/la-fractura-hidraulica/

Impactos ambientales del fracking

La fracturación hidráulica ha generado preocupaciones significativas en torno a su impacto ambiental, especialmente en lo que respecta al consumo de agua, la contaminación de acuíferos, la emisión de gases de efecto invernadero y la sismicidad inducida. Estas preocupaciones están respaldadas por pruebas documentadas que detallan tanto los riesgos como las medidas de mitigación disponibles.

  1. Consumo de agua: Cada pozo de fracturación hidráulica requiere entre 8000 y 15 000 m³ de agua, dependiendo de factores como la profundidad del pozo y el número de etapas de fracturación. Esta cantidad de agua es considerable, particularmente en regiones con recursos hídricos limitados. Para mitigar este impacto, se ha propuesto reutilizar las aguas de retorno y utilizar fuentes no convencionales de agua, como las salobres. Es esencial investigar previamente la disponibilidad de agua superficial y subterránea para garantizar la sostenibilidad del proyecto.
  2. Contaminación de acuíferos: Aunque las zonas de fractura están separadas de los acuíferos por capas de roca impermeable, las fugas a través de defectos en la cementación de los pozos suponen un riesgo. Los fluidos de fracturación, que contienen metano y aditivos químicos, pueden migrar hacia los acuíferos superficiales en caso de fallo estructural. Por ello, es esencial realizar un seguimiento continuo y diseñar adecuadamente los pozos para prevenir estos incidentes.
  3. Sismicidad inducida: La fracturación hidráulica puede causar micro-sismos de baja intensidad, imperceptibles sin instrumentos especializados. En raras ocasiones, la inyección en áreas cercanas a fallas activas ha generado sismos de mayor magnitud, aunque el límite superior para estos eventos es de 3 en la escala de Richter. La evaluación geológica previa y el monitoreo continuo son fundamentales para minimizar este riesgo.
  4. Gestión de aguas residuales: Las aguas de retorno contienen minerales disueltos, compuestos químicos y, ocasionalmente, materiales radiactivos naturales (NORM). Las estrategias de mitigación incluyen el tratamiento de residuos, la evaporación y la reutilización del agua reciclada. Estas medidas no solo reducen la demanda de agua dulce, sino que también minimizan el impacto ambiental.

Retos sociales y económicos

El desarrollo de la fracturación hidráulica enfrenta múltiples retos sociales y económicos. En términos sociales, la aceptación pública es fundamental. La percepción de riesgo asociada a la contaminación del agua, la sismicidad y la ocupación del terreno puede generar resistencia en las comunidades locales. Por otro lado, el fracking ofrece beneficios económicos significativos, como la reducción de la dependencia energética de las importaciones y la creación de empleo.

En España, las estimaciones de recursos prospectivos varían considerablemente. Según la Agencia Estadounidense de Información Energética (EIA), el país cuenta con 226 bcm de gas técnicamente recuperable, mientras que otros estudios elevan esta cifra a 1978 bcm. Estas reservas tienen el potencial de abastecer la demanda nacional durante décadas, aunque su desarrollo enfrenta desafíos como la falta de infraestructura y los altos costes de perforación.

Desde el punto de vista económico, el fracking es competitivo. El coste medio de extracción se estima en 5 céntimos de euro por kWh, lo que lo convierte en una opción viable frente a otras fuentes de energía. Sin embargo, para garantizar la sostenibilidad del sector, los beneficios deben equilibrarse con los riesgos ambientales y sociales.

Conclusiones

La fracturación hidráulica es una tecnología innovadora que ha transformado la industria energética. Aunque ofrece oportunidades significativas para la diversificación y la seguridad energética, su implementación debe abordarse con un enfoque integral que contemple tanto los beneficios económicos como sus posibles impactos ambientales y sociales. Es necesario realizar una evaluación cuidadosa y aplicar regulaciones estrictas para mitigar riesgos y garantizar una explotación sostenible de los recursos naturales. El desarrollo de recursos no convencionales en España requerirá una planificación meticulosa, un marco regulatorio sólido y un compromiso transparente con las comunidades locales.

Al adoptar medidas de mitigación efectivas y avanzar en tecnologías más sostenibles, el fracking puede desempeñar un papel crucial en la transición hacia un sistema energético más diversificado y seguro, minimizando al mismo tiempo su impacto ambiental y social.

Os dejo algunos vídeos al respecto.

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Microtúneles: Tecnología sin zanja para la construcción subterránea

Figura 1. Microtúnel.https://purewater-int.com/services/microtunneling/

La ingeniería civil ha desarrollado tecnologías avanzadas que permiten la instalación y el mantenimiento de infraestructuras subterráneas sin afectar significativamente a la superficie. Una de estas tecnologías, particularmente útil en áreas urbanas y entornos sensibles, es la de los microtúneles.

En este artículo, exploraremos los aspectos principales de los microtúneles, sus ventajas y limitaciones, los distintos tipos de escudos y los métodos de revestimiento, como el uso de dovelas y la hinca de tubería, que aseguran la estabilidad de los túneles.

1. ¿Qué son los microtúneles?

Los microtúneles son un tipo específico de tecnología sin zanja diseñada para instalar tuberías y conductos subterráneos a través de un proceso de perforación y revestimiento controlado, sin requerir excavaciones abiertas en la superficie. Estos túneles de pequeño diámetro suelen utilizarse para instalar colectores, redes de agua y sistemas de alcantarillado. A diferencia de otras técnicas de perforación, los microtúneles ofrecen mayor precisión y estabilidad estructural, ya que se utilizan tuneladoras y sistemas de guiado avanzados.

Ventajas de los microtúneles

  • Impacto mínimo en la superficie: Como no es necesario abrir zanjas, los microtúneles reducen las interrupciones en el tráfico y minimizan los daños en la infraestructura existente.
  • Menor impacto ambiental: Este método evita la remoción de grandes cantidades de tierra y reduce los desechos de la construcción, por lo que es una opción más ecológica.
  • Ideal para áreas de difícil acceso: Al requerir solo pozos de entrada y salida, los microtúneles son ideales para trabajos en áreas urbanas densamente pobladas o bajo infraestructuras ya existentes.

Limitaciones de los microtúneles

  • Costos iniciales elevados: La maquinaria y planificación requerida pueden aumentar los costos, especialmente en terrenos sencillos donde una excavación tradicional sería suficiente.
  • Necesidad de estudios geotécnicos detallados: Para asegurar el éxito del proyecto, es necesario un análisis exhaustivo del tipo de suelo, así como un diseño específico para el trazado y la maquinaria a emplear.

2. Maquinaria y equipos utilizados en la perforación de microtúneles

La construcción de microtúneles requiere diferentes tipos de escudos, que son dispositivos que protegen el frente de excavación y facilitan la extracción de material. El tipo de escudo elegido depende de las características del terreno y de las especificaciones del proyecto.

Tuneladoras de escudo abierto

Los escudos abiertos son los más básicos y se utilizan en terrenos cohesivos y por encima del nivel freático. Su diseño permite que el personal trabaje dentro del escudo y retire el material excavado mediante cintas transportadoras o vagonetas. Sin embargo, su principal limitación es que no pueden prevenir derrumbes, lo que los hace adecuados solo para suelos estables. Existen versiones que utilizan aire presurizado para estabilizar el entorno en algunas condiciones.

Tuneladoras de escudo cerrado

Las tuneladoras de escudo cerrado son las máquinas principales utilizadas en los microtúneles. Estos equipos están diseñados para evitar derrumbes y permiten un control preciso sobre la extracción del material excavado. Existen dos tipos principales de tuneladoras de escudo cerrado:

  • Tuneladora EPB (Earth Pressure Balance): Equilibra la presión en el frente usando el propio material excavado, lo cual es especialmente útil en terrenos arcillosos. Además, utiliza espumas y polímeros para estabilizar el suelo.
  • Tuneladora hidroescudo: Este tipo de tuneladora utiliza lodos para estabilizar el frente de excavación, lo que resulta especialmente útil en suelos arenosos o bajo el nivel freático.

Ambos tipos de escudos permiten extraer el material en seco o húmedo, asegurando una operación segura y eficiente en diversas condiciones geológicas.

Figura 2. Tuneladora EPB. https://www.gypsum.in/microtunneling/

3. Métodos de revestimiento en microtúneles

Un aspecto importante en la construcción de microtúneles es el revestimiento, que garantiza la estabilidad y durabilidad del túnel, especialmente en terrenos inestables. Existen dos métodos principales de revestimiento: el método de dovelas y el método de hinca de tubería.

Revestimiento con dovelas

Este método consiste en el uso de dovelas, secciones de anillo prefabricadas, que se ensamblan en el interior del túnel a medida que avanza la tuneladora. El procedimiento implica montar las dovelas dentro de la máquina y posteriormente inyectar mortero en el trasdós para garantizar la estabilidad del revestimiento y evitar filtraciones. Este método permite construir túneles con radios de curvatura pequeños, adaptándose a trazados complejos y de gran diámetro.

Revestimiento con hinca de tubería

El revestimiento con hinca de tubería es ideal para túneles de menor diámetro y consiste en empujar tramos de tubería prefabricada desde el pozo de ataque hasta el pozo de salida. Este proceso puede incorporar estaciones intermedias para longitudes extensas, y utiliza bentonita como lubricante para reducir la fricción durante la hinca. La principal ventaja de este método es que no requiere que el personal opere dentro de la tuneladora y facilita la alineación precisa gracias al sistema de guiado continuo.

Ambos métodos de revestimiento cumplen la función de asegurar la estabilidad y el sellado del túnel, aunque su selección dependerá de las características específicas del proyecto.

4. Planificación y ejecución de un proyecto de microtúnel

Para llevar a cabo un proyecto de microtúnel, es fundamental una planificación detallada que incluya:

  • Estudios geotécnicos: Analizar el tipo de suelo es esencial para definir el equipo y las técnicas de excavación adecuadas, especialmente en terrenos variables o inestables.
  • Selección de tuneladora y herramientas de corte: La tuneladora debe ser seleccionada en función de las condiciones del suelo, y equipada con herramientas de corte específicas.
  • Diseño del pozo de ataque: Los pozos de entrada y salida deben ser diseñados para facilitar el montaje y operación de la tuneladora.
  • Sistema de guiado: Un sistema de guiado, como un teodolito láser motorizado, asegura que la perforación siga el trazado previsto, evitando desviaciones que podrían afectar la estructura del túnel.

5. Caso de estudio: El colector de Valdemarín

Un ejemplo destacado de aplicación de los microtúneles es el proyecto del colector de Valdemarín, en el que se utilizó una tuneladora EPB con dovelas para construir un colector de aguas en un terreno arenoso y de alta abrasividad. El colector, con un diámetro nominal de 2760 mm, fue diseñado para superar el reto de excavar bajo un nivel freático considerable y con una geometría compleja, incluyendo curvas de pequeño radio. Gracias a la tecnología de microtúnel, fue posible instalar el colector, minimizando el impacto en el entorno urbano y controlando el proceso de excavación en un suelo particularmente desafiante.

Conclusión

Los microtúneles son una solución avanzada para la construcción subterránea, especialmente útil en entornos urbanos densos y ambientalmente sensibles. Con diversas opciones de escudos (abiertos y cerrados) y métodos de revestimiento, como las dovelas y la hinca de tuberías, esta tecnología proporciona flexibilidad y precisión en una amplia gama de condiciones geológicas. La implementación de microtúneles sigue siendo una herramienta clave para el desarrollo de infraestructuras subterráneas sostenibles, ya que minimiza el impacto en la superficie y optimiza el proceso constructivo.

Os dejo algunos vídeos para ilustrar esta técnica constructiva.

Referencias:

FRENCH SOCIETY FOR TRENCHLESS TECHNOLOGY (FSTT). Microtunneling and Horizontal Drilling: Recommendations. John Wiley & Sons, 2010.

YEPES, V. (2014). Maquinaria para sondeos y perforaciones. Apuntes de la Universitat Politècnica de València, Ref. 209. Valencia, 89 pp.

YEPES, V. (2020). Procedimientos de construcción de cimentaciones y estructuras de contención. Colección Manual de Referencia, 2ª edición. Editorial Universitat Politècnica de València, 480 pp. Ref. 328. ISBN: 978-84-9048-903-1.

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Energía específica en los equipos de perforación y excavación mecánica

Figura 1. Energía específica requerida para diferentes sistemas de excavación.

La energía específica, también conocida como Specific Energy (SE) en inglés, se define como la cantidad de energía consumida para excavar un volumen unitario de roca. Esta medida se expresa en diversas unidades, tales como MJ/m, KW-h/m3, hp-h/yd3 o hp-h/t, que relacionan la energía consumida con el volumen excavado.

Es importante destacar que la energía específica tiende a aumentar cuando se busca producir partículas de un tamaño menor en una misma roca. Este incremento está directamente relacionado con el aumento de la resistencia a compresión de la roca en cuestión.

La energía específica requerida para la excavación de una determinada roca dependerá de dos factores clave: la separación de los cortadores (S) y su profundidad de ataque (P). El ratio entre estos dos parámetros, denominado S/P, se convierte en un elemento crucial al seleccionar equipos. Para rozadoras tipo “drag”, este ratio varía entre 2 y 4, mientras que para cortadores de discos oscila entre 10 y 20.

En términos prácticos, la energía específica desempeña un papel esencial al determinar los ratios de avance (m/h o m/día) de una máquina. Esta información se revela como un indicador clave para optimizar la eficiencia y el rendimiento de los equipos utilizados en la excavación de rocas.

La Figura 1 presenta el espectro de la energía específica necesaria para la fragmentación de una roca mediante diversos sistemas de excavación comúnmente utilizados.

El ratio de producción instantáneo (IPR, en inglés) de un equipo se puede calcular de la siguiente forma:

El ratio lineal de avance (ROP, en inglés) de un equipo se calcula de la siguiente forma:

El ratio de avance diario (AR, en inglés) de un equipo es:

La tabla que se presenta a continuación resulta útil para anticipar el ratio de producción (IPR) y el ratio de avance (AR) de un equipo mecánico, todo ello fundamentado en la energía específica.

Referencias:

  • MARTÍNEZ-PAGÁN, P. (2023). Laboreo de minas. 3.º Curso – GIRME – Ingeniería de Minas. Universidad Politécnica de Cartagena.
  • ROSTAMI, J. (2011). Mechanical Rock Breaking. In SME Mining Engineering Handbook, 3rd Edition, Darling, P. (Ed.), Society for Mining, Metallurgy, and Exploration, 417-434.
  • YEPES, V. (2014). Maquinaria para sondeos y perforaciones. Apuntes de la Universitat Politècnica de València, Ref. 209.
  • YEPES, V. (2023). Maquinaria y procedimientos de construcción. Problemas resueltos. Colección Académica. Editorial Universitat Politècnica de València, 562 pp. Ref. 376. ISBN 978-84-1396-174-3

Cursos:

Curso de procedimientos de contención y control del agua subterránea en obras de Ingeniería Civil y Edificación.

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Predicción del ratio de avance de un minador continuo

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 de excavación mecánica utilizados en minería subterránea. Crean huecos rectangulares con tambores de picas (6 m de ancho por 5 m de alto). Se emplean principalmente en minas de minerales blandos, como el carbón o la sal.

Existen equipos con la posibilidad de realizar un sostenimiento simultáneo, lo que les permite avanzar 12 m sin retirarse. Un equipo puede producir entre 600 y 700 t/h de mineral. Este mineral se descarga mediante un transportador blindado a “shuttle cars”.

A continuación, presento un ejercicio resuelto y un nomograma que pueden ser útiles 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 de 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 resulte útil.

Pincha aquí para descargar

Referencias:

ROSTAMI, J. (2011). Mechanical Rock Breaking. In SME Mining Engineering Handbook, 3rd Edition, Darling, P. (Ed.), Society for Mining, Metallurgy, and Exploration, 417-434.

YEPES, V. (2023). Maquinaria y procedimientos de construcción. Problemas resueltos. Colección Académica. Editorial Universitat Politècnica de València, 562 pp. Ref. 376. ISBN 978-84-1396-174-3

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Construcción de túneles mediante perforación y voladura

Figura 1. Operaciones básicas integrantes del ciclo de excavación de túneles con explosivos

A pesar del avance tecnológico, la técnica de perforación y voladura sigue siendo popular en la excavación de túneles por sus ventajas. A diferencia de la excavación mecánica, la técnica de explosivos es versátil, trabajando con varios tipos de roca y secciones de obra. Además, se adapta a otros trabajos, es fácil de transportar y la inversión inicial es reducida. Se trata de un método de frente abierto que consiste básicamente en realizar taladros que posteriormente se cargan con explosivos y se detonan. Los gases de la explosión penetran en las fracturas y desmenuzan la roca.

Esta técnica se utiliza en rocas de alta resistencia con una velocidad sísmica de entre 2000 y 2500 m/s, dependiendo de las condiciones del terreno o de la abrasividad de las rocas. Es aplicable a rocas con una resistencia a la compresión de 80 MPa o superior, incluso las más duras, por lo que resulta más eficiente que la excavación mecánica. En estos casos, la excavación mecánica puede no resultar rentable debido a la pérdida de rendimiento y al desgaste de los elementos. Además, la técnica de perforación y voladura es más flexible y puede adaptarse a cambios litológicos o trastornos tectónicos en el terreno.

La técnica de excavación con explosivos consiste en realizar taladros en el frente de excavación, cargarlos con explosivos y detonarlos. Para perforar se emplean equipos como “jumbos” o carros perforadores. Uno de los principales objetivos de una buena voladura es evitar el deterioro excesivo de la roca circundante a la excavación, ya que una voladura inadecuada puede provocar sobreexcavaciones y caídas de bloques que generen problemas de estabilidad adicionales. Por lo tanto, es necesario realizar voladuras controladas y técnicas, como el precorte o las voladuras suaves, para minimizar el daño estructural del terreno. En la Figura 1 se muestran las operaciones básicas que componen el ciclo de excavación de túneles con explosivos.

Los taladros se ajustan a una longitud de avance de entre 1 y 4 m, según la resistencia de la roca. Aunque hay diferentes disposiciones de taladros, todas ellas deben atenuar el confinamiento generado por la onda expansiva, ya que solo hay una salida.

Figura 2. Zonas de una voladura en un túnel

La técnica de voladura en el frente de ataque consiste en una explosión controlada que se lleva a cabo mediante una secuencia. Se utilizan detonadores de retardo de milisegundos para activar las distintas áreas de la carga en momentos diferentes. Es necesario que, en un principio, se cree un hueco libre con los barrenos de cuele y contracuele, hacia el cual romperán las cargas restantes de la sección. A continuación, se vuela la destroza y se da forma a la sección del túnel con los barrenos del piso (zapateras) y los barrenos de recorte o de contorno.

La excavación de túneles puede llevarse a cabo en secciones completas o, si estas son demasiado grandes, por fases, empleando galerías de avance, destrozas laterales y/o banqueo del suelo. Los jumbos modernos presentan una ventaja significativa frente a los topos y los minadores. A diferencia de los topos, que solo pueden excavar secciones circulares, y de los minadores, que tienen una capacidad de cobertura limitada, los jumbos actuales se utilizan para trabajos de perforación y sostenimiento y cuentan con una gran movilidad que les permite desplazarse fácilmente de un frente a otro.

En términos de inversión, los equipos de perforación son más económicos que los minadores o topos para una misma sección de excavación. Por lo tanto, en obras lineales de reducida longitud, es el sistema más recomendable para su amortización y se puede destinar a la ejecución de otras obras distintas.

Sin embargo, el arranque con explosivos presenta algunos inconvenientes en comparación con la excavación mecánica. Por ejemplo, los perfiles de excavación pueden ser más irregulares y la alteración del macizo rocoso remanente puede ser intensa si las voladuras no se disparan empleando técnicas de contorno en el perímetro. Ambos aspectos pueden aumentar los costes de sostenimiento y, sobre todo, los del revestimiento mediante hormigonado.

Además, si se realizan perforaciones con explosivos en zonas urbanas, las vibraciones generadas por las voladuras pueden constituir un factor limitante. Por tanto, es necesario proteger la integridad de las edificaciones y de otras estructuras subterráneas, así como evitar las molestias a las personas.

Ciclo básico de perforación y voladura

En primer lugar, es importante tener en cuenta que la excavación de túneles en roca usando la perforación y los explosivos es una operación cíclica y no continua.

El ciclo básico de excavación mediante perforación y voladura consta de las siguientes operaciones. Si solo se excava la parte superior y un banco en lugar de todo el frente, se tendrá un ciclo doble más complejo:

  • Perforación de barrenos en el frente a un patrón y una profundidad adecuados.
  • Retirar el equipo perforador.
  • Carga del explosivo y retirada del personal.
  • Detonado de las cargas.
  • Evacuación de humos y ventilación.
  • Saneo de los hastiales y de la bóveda y del bulonado.
  • Carga y transporte del escombro.
  • Labores de sostenimiento y gunitado.
  • Replanteo de la nueva voladura.

El tiempo que se tarda en completar un ciclo de excavación para un túnel con sección completa o de calota, si el avance se realiza en varias fases, suele ser de uno a dos turnos, según la sección y el tipo de sostenimiento requerido. La distribución de tiempos suele seguir la tabla que se presenta a continuación:

Perforación de barrenos 10 – 30 %
Carga del explosivo 5 – 15 %
Voladura y ventilación 5 – 10 %
Saneo y desescombro 15 – 35 %
Sostenimiento 65 – 10 %

En la tabla se observa que el tiempo destinado al sostenimiento en la sección de avance puede superar el 50 % de la duración total del ciclo en los casos más desfavorables. Por otro lado, en la sección de destroza, estos tiempos suelen ser la mitad e incluso inferiores.

En general, se recomienda utilizar una tuneladora (TBM) para excavar túneles de más de 4,5 km de longitud y la técnica de perforación y voladura para túneles de menos de 1,5 km de longitud (ver Figura 3). Sin embargo, esta es una guía general y cada proyecto debe evaluarse en función de los factores específicos que puedan influir en la elección del método de excavación. Por ejemplo, puede haber casos en los que un túnel de 5 km se excave mediante perforación y voladura en lugar de con una tuneladora, o viceversa, en función de factores como la geología, la geometría, el impacto ambiental y los plazos de ejecución. Para los túneles cuya longitud está comprendida entre 1,5 y 4,5 km, los costes de ejecución pueden ser similares, pero deben considerarse otros factores para tomar una decisión informada sobre el método de excavación más adecuado.

Figura 3. Coste según longitud del túnel excavado para los métodos con TBM y perforación y voladura. https://bestsupportunderground.com/tbm-perforacion-voladura/

Referencias:

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.

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Nomograma para el cálculo de la perforación a percusión con cable

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, elevado por un cable y que cae por gravedad, fragmentando el suelo. Este método se utiliza en terrenos de dureza media a baja o en terrenos duros frágiles, pero se desaconseja en terrenos detríticos no cohesionados, muy duros, abrasivos y plásticos. La frecuencia de golpeo se encuentra entre 40 y 50 impactos por minuto, y se obtienen 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 la perforación.

Aquí os traigo un nomograma original, elaborado en colaboración con los profesores Pedro Martínez-Pagán y Daniel Boulet, en el que se pueden 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 que sea de vuestro interés.

Pincha aquí para descargar

Referencias:

YEPES, V. (2014). Maquinaria para sondeos y perforaciones. Apuntes de la Universitat Politècnica de València, Ref. 2009.

YEPES, V. (2023). Maquinaria y procedimientos de construcción. Problemas resueltos. Colección Académica. Editorial Universitat Politècnica de València, 562 pp. Ref. 376. ISBN 978-84-1396-174-3

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Tipos de perforación rotopercutiva con martillos hidráulicos

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 de este blog.

El primer grupo son los martillos en cabeza, donde la rotación y la 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 un menor coste de equipo y de energía, accesorios de perforación más económicos que los de los martillos de fondo, mayor velocidad de perforación y mayor facilidad de automatización de los equipos. Sin embargo, sus desventajas son una mayor desviación y un 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 realiza 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 de 89 mm a 250 mm de diámetro y una profundidad máxima de 60 m. Las ventajas incluyen una velocidad de perforación constante a lo largo de la profundidad, menor desgaste en la boca y mayor vida útil del varillaje. Las desventajas son una menor velocidad de perforación y mayores costos de los fungibles, como los tubos y las bocas. Además, se puede perder el martillo si se atranca en 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 llevan a cabo la percusión y la rotación del martillo por separado, lo que une la velocidad de perforación del martillo en cabeza con la menor desviación del martillo en el 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, el menor riesgo de atranques, el menor consumo de energía, la mayor vida útil de los accesorios de perforación y la menor desviación en comparación con otros métodos. Sin embargo, es importante tener en cuenta que el COPROD puede resultar más costoso que otros métodos.

Os dejo algunos vídeos explicativos sobre la perforación COPROD que espero que 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.

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