Perforación a percusión con cable

Sondeo a percusión con cable.

La perforación a percusión con cable se basa en el golpeteo con una pesada herramienta de corte (trépano) que se eleva con un cable y que cae por gravedad, fragmentando el suelo. Resulta evidente, por tanto, que los sondeos realizados por esta máquina deben ser verticales.

Este sistema empezó a utilizarse en China en el 4000 A.C., consistiendo en un balancín que se contrapesaba con un grupo de hombres que efectuaban el tiro en un extremo de una cuerda mientras que de otra colgaba la sarta de perforación construida con cañas de bambú.

Su ámbito de aplicación se centra en terrenos de dureza media a baja o bien en aquellos otros duros que sean frágiles. Sin embargo, se encuentran contraindicados en terrenos detríticos no cohesionados, muy duros, abrasivos y plásticos.

La frecuencia de golpeo se encuentra en el entorno de 40 a 50 impactos/minuto, en función de los parámetros mecánicos del suelo perforado. Con ello se consiguen unos rendimientos medios de 2 a 4 m/día en materiales duros y de 10 a 20 m/día en materiales blandos. La percusión se consigue mediante un movimiento de balancín y manivela proporcionado por la máquina. La altura de caída del trépano dependerá de la dureza del terreno y de la profundidad del fondo de perforación. En máquinas normales, esta altura oscila entre 20 y 60 cm.

La perforación comienza hincando un tramo de tubería, generalmente de longitud inferior a 2 m y con un diámetro mayor al diámetro a perforar (700-800 mm), de forma que sirva de guía inicial al trépano. La entubación sólo es necesaria en casos de inestabilidad del terreno, en cuyo caso se entuban tuberías auxiliares recuperables aprovechando la percusión.

Con este sistema de perforación se hace necesario el uso de agua para facilitar la recogida del detritus formado. Este suelo fragmentado mezclado con agua forma un lodo viscoso que se recoge periódicamente mediante una válvula o cuchara de limpieza que se introduce cuando se detiene el golpeteo.

Estas cucharas consisten en una tubería terminada en su parte inferior en una válvula, que puede ser plana o de dardo. La plana, también llamada de charnela o de chapeta, hace mejor la limpieza del sondeo. La de dardo o lanza se usa fundamentalmente en pruebas de caudal.

Percusión con cable 3La sarta de perforación se encuentra compuesta por los siguientes elementos:

  • Trépano: Se trata de la herramienta de corte, que permite la perforación. Su peso permite penetrar, triturar, escariar y mezclar el terreno.
  • Barra de carga o barrón: Es una barra cilíndrica de acero forjado que provee a la sarta de perforación del peso necesario y también guía el movimiento alternativo de la sarta. Lleva en su parte inferior una rosca hembra para recibir la rosca macho del trépano, y en su parte superior una rosca macho que conecta con la tijera o montera en su caso. Su longitud varía entre 3 y 5 m, con un peso entre 400 y 1000 kg.
  • Tijera o destrabador: Elemento situado encima del barrón que sirve para desatrancar la herramienta en caso de atasco. Está formada por dos eslabones que permiten un cierto juego longitudinal del orden de 10 a 20 cm.
  • Montera o giratoria: Es el elemento de unión entre la sarta y el cable, permitiendo el giro alrededor de su eje longitudinal.

 

TERRENO PESO RELATIVO DE LA SARTA COMPLETA
Blando 1.5-2.5 kg/mm diámetro
Medio 3.0-4.0 kg/mm diámetro
Duro 4.0-6.0 kg/mm diámetro
Muy duro 6.0-8.0 kg/mm diámetro

Percusión con cable 2
Movimiento balancín-biela
Entre sus aplicaciones principales de la perforación a percusión con cable se encuentra la captación de aguas subterráneas. Otros usos menos frecuentes, pero que igualmente encuentran eficiencia óptima son en el área de las perforaciones con fines de recarga artificial de aguas subterráneas, procedente de las lluvias o de otras perforaciones de captación próximas, pues su mayor diámetro permite espacios anulares que posibilitan tanto la ejecución de potencias cementadas, sellos o empaques graduados, así como la instalación de tuberías y filtros adecuados.

Como ventajas más importantes de este sistema de perforación es el empleo de maquinaria de coste moderado, la simplicidad de las operaciones, la necesidad de poco personal, el escaso consumo de agua, no usar lodos o mezclas tixotrópicas y la consecución de diámetros importantes de perforación (1.100 mm). Como inconvenientes se podría señalar la necesidad de personal cualificado, la interrupción de la perforación para la limpieza, el avance lento en rocas duras, la dificultad de avance en materiales no consolidados, la pérdida de diámetro en materiales abrasivos, las entubaciones frecuentes y la limitación de la profundidad práctica de perforación, que no resulta económica a partir de 150 m.

En el Polimedia que os presento a continuación os dejo las ideas más importantes de este sistema de perforación a percusión con cable. Espero que os sea útil.

Os dejo algunos vídeos donde podéis ver el trabajo de esta perforadora. Espero que os gusten.

 

Referencias:

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

Perforación rotativa con trépanos triturantes o triconos

Tricono de dientes para formación blanda. Wikipedia

Trépano es la herramienta de corte localizado en el extremo inferior de la sarta de perforación que se utiliza para cortar o triturar la formación durante el proceso de la perforación rotatoria. Actualmente los trépanos más utilizados son los trépanos triturantes o triconos. Esta herramienta apareció en 1910, sin embargo su utilización masiva se introdujo cuando se perfeccionaron los equipos de rotación en la década de los 60. Este tipo de perforación al principio se utilizó al principio en rocas blandas o de poca resistencia, pero actualmente estos sistemas ya son competitivos en rocas duras. Con este sistema de perforación se alcanzan buenos rendimientos, del orden de 60-100 m/turno, en profundidades de hasta 200 m. Se utiliza en ingeniería civil con diámetros entre 100 y 300 mm. Sin embargo, estos límites se superan, por ejemplo en perforaciones petrolíferas, donde en España se han superado los 4500 m de profundidad.

El principio de perforación se basa en dos acciones combinadas:

  • Indentación: Los dientes o insertos penetran en la roca debido al empuje sobre la boca. Este mecanismo tritura la roca.
  • Corte: La roca se fragmenta debido al movimiento lateral de desgarre de los conos al girar sobre el fondo del barreno.

Trépano

La fuerza de avance se produce al introducir los botones del tricono en la roca. Este empuje se transmite al varillaje mediante una cadena de accionamiento hidráulico. La magnitud del empuje no debe sobrepasar cierto umbral para evitar el agarrotamiento del trépano sobre la roca y otro tipo de fallos. La limpieza de la perforación se realiza mediante un fluido, generalmente lodo, aunque en ocasiones se usa agua o aire comprimido, que se inyecta por el interior de la columna de barras hacia el fondo del barreno. Este caudal, aparte de barrer el detritus, permite la refrigeración y lubricación de los rodamientos del tricono.

La velocidad de penetración de este sistema depende de la dureza o resistencia de la roca y de las variables de operación, que son las siguientes:

  • Velocidad de rotación
  • Fuerza de empuje
  • Diámetro de la perforación
  • Velocidad y caudal del aire de barrido
  • Desgaste de los trépanos

 

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

Se pueden distinguir dos tipos de triconos: de dientes y de insertos de carburo de tungsteno. Los triconos de dientes tienen un coste económico menor, aproximadamente una quinta parte menos que los de insertos. Sin embargo éstos últimos presentan claras ventajas:

  • Mantienen la velocidad de penetración durante la vida útil
  • Requieren menos empuje para una determinada velocidad de penetración
  • Necesitan menos par, disminuyendo las tensiones sobre los motores de rotación
  • Reducen las vibraciones, con menos fatiga sobre la perforadora y el varillaje
  • Disminuye el desgaste sobre el estabilizador y la barra
  • Producen menos pérdidas de tiempo por cambio de bocas y menores daños en las roscas.

Un Polimedia explicativo es el siguiente:

Os dejo a continuación algunos vídeos sobre triconos que espero os sean útiles.

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.

 

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Perforación rotativa de rocas

Figura 1. Trépano tricono típico. Wikipedia

El principio utilizado por las perforadoras rotativas consiste en aplicar energía a la roca haciendo rotar un útil de corte o destroza conjuntamente con la acción de una gran fuerza de empuje. Los diámetros habituales de barreno conseguidos con este tipo de perforadoras oscilan entre 50 y 311 mm, estando los mayores diámetros especialmente indicados para los grandes volúmenes de excavación.

Este sistema consta de una fuente de energía, una columna de barras o tubos individuales o conectados en serie, que transmiten el peso, la rotación y el aire de barrido a una boca con dientes de acero o de insertos de carburo de tungsteno que deben fragmentar la roca. De este modo, se puede distinguir la perforación con tricono (Figura 1) y la perforación con útiles de corte (Figura 2). El primer sistema se aplica a rocas de dureza media a alta y el segundo a rocas blandas.

Figura 2. Trialeta. www.krham.com

La fuente primaria de potencia utilizada por estos equipos puede ser eléctrica o motores diésel, y su aplicación se realiza mediante mecanismos de transmisión mecánicos e hidráulicos. La energía se transmite a través de las barras de perforación, que giran al mismo tiempo que penetra la boca, debido a la intensidad de la fuerza de avance. Prácticamente, casi sin excepciones, esta fuerza de empuje se obtiene a partir de un motor hidráulico. En este tipo de perforación, las pérdidas de energía en las barras y la boca son despreciables, por este motivo, la velocidad de penetración no varía apenas con la longitud del barreno. Para girar las barras y conseguir el par necesario, estas máquinas tienen un sistema de rotación montado habitualmente sobre un bastidor que se desliza a lo largo del mástil de la perforadora. El barrido del detritus de la perforación se realiza con aire comprimido, para lo cual el equipo está dotado de uno o dos compresores ubicados en la sala de máquinas.

El empuje a aplicar dependerá de la resistencia de la roca y del diámetro de la perforación. El mecanismo de empuje está diseñado para aplicar una fuerza del orden del 50% del peso de la máquina, alcanzando los equipos de mayor tamaño un peso de unas 120 toneladas. La rotación la provee un motor eléctrico o hidráulico y se transmite a la herramienta por  medio de la columna de barras. Los sistemas de rotación pueden ser los siguientes:

  • Directos
  • De mesa de rotación
  • Falsa barra Kelly
Rotacion01
Figura 3. Sistemas de rotación: (a) directo, (b) mesa de rotación y (c) falsa barra Kelly

A su vez, los estas perforadoras se pueden montar sobre orugas o sobre neumáticos. La elección de uno u otro depende de las condiciones del terreno y de factores como la maniobrabilidad, la movilidad o la estabilidad de la máquina. El montaje sobre orugas se utiliza preferentemente en las grandes excavaciones a cielo abierto, donde los requerimientos de movilidad son escasos. Su limitación en cuanto a menor velocidad de traslación, 2 a 3 km/h, es poco relevante cuando el equipo permanece durante largos períodos de tiempo operando en un mismo banco o sector de la excavación. En tareas medianas, donde se requiere un desplazamiento más frecuente y ágil del equipo, se prefiere el montaje sobre neumáticos. Estos equipos van montados sobre un camión de dos o tres ejes los más ligeros, y sólo los de mayor tamaño se construyen sobre un chasis de cuatro ejes. Su velocidad media de desplazamiento es de 20 a 30 km/h.

El éxito de la perforación rotativa depende de una serie de factores, unos directamente relacionados con la máquina y otros que son factores externos a la misma. Entre los primeros caben resaltar la magnitud del empuje sobre la roca, la velocidad de rotación, el desgaste de la boca, el diámetro del barreno y el caudal de aire necesario para la evacuación del detritus. Entre los factores que no dependen de la máquina se encuentran las características del macizo rocoso y los rendimientos dependientes del operario.

TIPO DE ROCA

RESISTENCIA A

COMPRESIÓN SIMPLE (MPa)

VELOCIDAD

(rpm)

Muy blandas

< 40

120 – 100

Blandas

40 – 80

100 – 80

Medianas

80 – 120

80 – 60

Duras

120 – 200

60 – 40

Muy duras

> 200

40 – 30

 

En el Polimedia que os presento se resumen las ideas más importantes acerca de la perforación rotativa de roca. Espero que os sea útil.

Os dejo a continuación un pequeño vídeo donde se muestra el funcionamiento del tricono.

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.