Date post: | 28-Dec-2015 |
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EQUIPOS DE PERFORACIÓN[ ]
1 Túneles y movimiento de materiales
1. Introducción
El sistema de perforación y voladura para la excavación de túneles, galerías o cavernas es una
técnica convencional que aún hoy se utiliza con profusión, debido a las numerosas ventajas que
presenta frente a la excavación mecánica con minadores y tuneladoras: versatilidad en cuanto a
tipos de roca y secciones de las obras, adaptabilidad a otros trabajos, movilidad de los equipos y
reducida inversión inicial.
Los equipos de arranque mecánico tienen un límite de aplicación en lo referente a resistencia y
abrasividad de las rocas. Los minadores suelen trabajar en materiales con una resistencia a la
compresión por debajo de los 100 MPa, mientras que los topos llegan a los 250 MPa. El arranque
con explosivos se suele aplicar a partir de los 80 MPa hasta las rocas más duras, donde por pérdida
de rendimiento e incluso por consumo de elementos de desgaste la excavación mecánica es
claramente antieconómica. Además, es más flexible frente a los cambios litológicos o trastornos
tectónicos de los terrenos atravesados.
En cuanto a las secciones, éstas pueden ser completas o, si son muy grandes, realizarse la
excavación por fases con galerías de avance, destrozas laterales y/o banqueo al piso. Hay que
tener en cuenta que los jumbos modernos poseen secciones de cobertura de grandes dimensiones
y formas. Con los topos el sistema de trabajo es muy rígido, ya que por lo común las secciones
deben ser circulares y con los minadores, a pesar de sus mayores posibilidades, no se llega a la
capacidad de cobertura que poseen los modernos jumbos.
Por otro lado, además de perforar en el frente, los jumbos pueden usarse en la perforación para el
sostenimiento y si van montados en un chasis con neumáticos disponer de gran movilidad con
capacidad de desplazamiento de un frente a otro.
Figura 1. Evolución de los equipos destinados a la excavación de túneles y galerías
Por último, la inversión en equipos de perforación es para una misma sección de excavación
inferior a la de un minador o un topo, por lo que en obras lineales de reducida longitud es el
sistema más aconsejable para su amortización, pudiendo incluso destinarse a la ejecución de otras
obras distintas.
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2 Túneles y movimiento de materiales
Los principales inconvenientes que presenta el arranque con explosivos, frente al mecánico, es
que los perfiles de excavación son mucho más irregulares y la alteración del macizo rocoso
remanente puede ser intensa si las voladuras no se disparan con las técnicas de contorno en el
perímetro. Ambos aspectos inciden en los costes del sostenimiento y sobre todo en los trabajos de
revestimiento mediante hormigonado
Adicionalmente, en proyectos dentro de zonas urbanas las vibraciones generadas por las
voladuras .pueden ser un factor limitante, ya que se tendrá que salvaguardar la integridad de las
edificaciones, e incluso otras estructuras subterráneas, y evitar las molestias a las personas.
El ciclo básico de excavación mediante perforación y voladura se compone de las siguientes
operaciones:
Perforación de barrenos.
Carga del explosivo.
Disparo de la Pega.
Evacuación de humos y ventilación.
Saneo de los hastiales Y bóveda.
Carga y transporte del escombro.
Replanteo de la nueva voladura.
Figura 2. Operaciones básicas integrantes del ciclo de excavación con explosivos.
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3 Túneles y movimiento de materiales
El tiempo de ciclo de excavación de un túnel a sección completa o de calota, en el caso en que el
avance se haga en varias fases, suele durar de uno a dos relevos, según la sección y el tipo de
sostenimiento necesario. La distribución de tiempos suele ser la siguiente:
o Perforación de barrenos: 10-30 %
o Carga del explosivo: 5-15%
o Voladura y ventilación: 5-10%
o Saneo y desescombro: 15-35%
o Sostenimiento: 65-10%
Se observa que el tiempo destinado al sostenimiento en la sección de avance puede, en los casos
más desfavorables, llegar a superar el 50 % de la duración del ciclo. En la sección de destroza,
generalmente, son del orden de la mitad e incluso inferiores.
En los epígrafes siguientes se describen los equipos de perforación y explosivos que actualmente
se utilizan en la ejecución de túneles y galerías, así como el cálculo de los esquemas de perforación
y cargas de explosivo, y el control de las vibraciones y ondas de presión.
2. FUNDAMENTOS DE LA PERFORACIÓN ROTOPERCUTIVA
Figura 3. Acciones básicas de la perforación rotopercusiva
La perforación a rotopercusión se basa en la combinación de las siguientes acciones:
Percusión. Los impactos producidos por el golpeo del pistón originan unas ondas de choque que se
transmiten a la boca a través del varillaje (en el martillo en cabeza) o directamente sobre ella (en
el martillo en fondo).
Rotación. Con este movimiento se hace girar la boca para que los impactos se produzcan sobre la
roca en distintas posiciones.
Empuje. Para mantener en contacto el útil de perforación con la roca se ejerce un empuje sobre la
sarta de perforación.
Barrido. El fluido de barrido permite extraer el detrito del fondo del barreno.
El proceso de formación de las indentaciones, con el que se consigue el avance en este sistema de
perforación, se divide en cinco instantes, tal como se refleja en la Fig. 4
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4 Túneles y movimiento de materiales
Figura 4. Fases de formación de una indentación.
Esta secuencia se repite con la misma cadencia de impactos del pistón sobre el sistema de
transmisión de energía hasta la boca. El rendimiento de este proceso aumenta proporcionalmente
con el tamaño de las esquirlas de roca que se liberan.
2.1 Percusión
La energía cinética E del pistón se transmite desdé el martillo hasta la boca de perforación, a
través del varillaje, en forma de onda de choque. El desplazamiento de esta onda se realiza a alta
velocidad y su forma depende fundamentalmente del diseño del pistón.
Cuando la onda de choque alcanza la boca de perforación, una parte de la energía sé - transforma
en trabajo haciendo penetrar el útil y el resto se refleja y retrocede a través del varillaje. La
eficiencia de esta transmisión es difícil de evaluar, pues depende de muchos factores, tales como:
el tipo de roca, la forma y dimensión del pistón, las características del varillaje, el diseño de la
boca, etc. Además, hay que tener en cuenta que en los puntos de unión de las varillas existen
pérdidas de energía, por reflexiones y rozamientos que se transforman en Calor y desgastes en las
roscas.
La potencia de percusión es el parámetro que más influye en la velocidad de penetración. La
energía liberada por golpe en un martillo puede estimarse a partir de cualquiera de las
expresiones siguientes:
mp = Masa del pistón.
vp = Velocidad máxima del pistón.
pm = Presión del fluido de trabajo (aceite o aire) dentro del cilindro.
Ap = Superficie de la cara del pistón.
Ip = Carrera del pistón.
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5 Túneles y movimiento de materiales
La potencia de un martillo es pues la energía por golpe multiplicada por la frecuencia de impactos
ng:
donde:
y teniendo en cuenta las expresiones anteriores puede escribirse:
El mecanismo de percusión consume de un 80 a un 85% de la potencia total del equipo.
2.2 Rotación
La rotación, que hace girar la boca entre impactos sucesivos, tiene como misión hacer que ésta
actúe sobre puntos distintos de la roca en el fondo del barreno. En cada tipo de roca existe una
velocidad óptima de rotación para la cual se producen los detritus de mayor tamaño al aprovechar
la superficie libre del hueco que se crea en cada impacto.
Cuando se perfora con bocas de pastillas las velocidades de rotación más usuales oscilan entre 80
y 150 r/min, con unos ángulos entre indentaciones de 10° a 20°, Fig. 5, En el caso de bocas de
botones de 51 a 89 mm las velocidades deben ser más bajas, entre 40 y 60 r/min, que
proporcionan ángulos de giro entre 5° y 7°, las bocas de mayor diámetro requieren velocidades
incluso inferiores.
Figura 5. Velocidades de rotación para bocas de pastillas y botones.
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6 Túneles y movimiento de materiales
2.3 Empuje
La energía generada por el mecanismo de impactos del martillo debe transmitirse a la roca, por lo
que es necesario que la boca se encuentre en contacto permanente con el fondo de barreno. Esto
se consigue con la fuerza suministrada por un motor o cilindro de avance, que debe adecuarse al
tipo de roca y boca de perforación.
Un empuje insuficiente tiene los siguientes efectos negativos: reduce la velocidad de penetración,
produce un mayor desgaste de varillas y manguitos, aumenta la pérdida de apriete del varillaje y el
calentamiento del mismo. Por el contrario, si el empuje es excesivo disminuye también la
velocidad de perforación, dificulta el desenroscado del varillaje, aumenta el desgaste de las bocas,
el par de rotación y las vibraciones del equipo, así como la desviación de los barrenos.
Al igual que sucede con la rotación, esta variable no influye de forma decisiva sobre las
velocidades de penetración, Fig. 6.
Figura 6. Influencia del empuje sobre la velocidad de penetración
2.4 Barrido
Para que la perforación resulte eficaz, es necesario que el fondo de los barrenos se mantenga
constantemente limpio evacuando el detritus justo después de su formación.
El barrido de los barrenos se realiza con un fluido que se inyecta a presión hacia el fondo a través
de un orificio central del varillaje y de unas aberturas practicadas con las bocas de perforación. Las
partículas se evacuan por el hueco anular comprendido entre el varillaje y la pared de los
barrenos, Fig. 7.
Figura 7. Principio de barrido de un barreno.
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7 Túneles y movimiento de materiales
El barrido con agua es el sistema más utilizado en la perforación subterránea, que sirve, además,
para suprimir el polvo, aunque supone generalmente una pérdida de rendimiento del orden del
10% al 20%. Las velocidades ascensionales para una limpieza eficiente pueden estimarse en cada
caso a partir de la expresión:
donde:
Va = Velocidad ascensional (m/s).
Pr = Densidad de la roca (g/cm3).
dp = Diámetro de las particulares (mm).
Así, el caudal de fluido de limpieza será:
siendo:
Qa = Caudal (m3/min).
D = Diámetro del barreno (m).
d = Diámetro delas varillas (m).
Cuando se emplea agua para el barrido la velocidad ascensional debe estar comprendida entre 0,4
y 1 m/s MPa para evitar que dicho fluido entre en el martillo.
En el caso del aire, con martillos en cabeza, no es frecuente disponer de un compresor de presión
superior únicamente para el barrido. Sólo en el caso de los martillos en fondo se utilizan
compresores de alta presión (1-1,7 MPa), porque además de servir para evacuar los detritus
aumenta la potencia de percusión.
3. TIPOS DE MARTILLOS
Hasta 1970, el accionamiento neumático era el único utilizado en las perforadoras en los trabajos
subterráneos. Pero desde 1974, las perforadoras hidráulicas las fueron reemplazando en casi
todos los trabajos de barrenado.
La potencia electrohidráulica es más eficiente y fácilmente adaptable a la automatización de los
equipos, como se describirá más adelante.
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8 Túneles y movimiento de materiales
3.1 Martillos neumáticos
Un martillo accionado por aire comprimido consta básicamente de:
Un cilindro cerrado con una tapa delantera que dispone de una abertura axial donde va
colocado el elemento portabarrenas, así como un dispositivo retenedor de las varillas de
perforación.
El pistón que con su movimiento alternativo golpea el vástago o culata, a través de la cual
se transmite la onda de choque a la varilla.
La válvula que regula el paso de aire comprimido en volumen fijado de forma alternativa a
la parte interior y posterior del pistón.
Un mecanismo de rotación, bien de barra estriada o de rotación independiente.
El sistema de barrido, que consiste en un tubo que permite el paso del aire hasta el
interior del varillaje.
Estos elementos son comunes a todos los tipos de martillos existentes en el mercado, variando
únicamente algunas características de diseño: diámetro de cilindro, longitud de la carrera del
pistón, conjunto de válvulas de distribución, etc.
Estos martillos funcionan con la misma presión del aire para el mecanismo de impacto que para el
sistema de barrido. Conforme aumenta la profundidad del barreno y el peso del detritus se
requiere una mayor presión del fluido de barrido, pues de lo contrario se producirá una peor
limpieza de los taladros.
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9 Túneles y movimiento de materiales
3.2 Martillos hidráulicos
Una perforadora hidráulica consta básicamente de los mismos elementos constructivos que una
neumática. Fig. 8.
Figura8. Sección de un martillo hidráulico (Atlas Copco).
La diferencia más importante entre ambos sistemas estriba en que en lugar de utilizar aire
comprimido, generado por un compresor accionado por un motor de rotación y para producir el
movimiento alternativo del pistón, un motor actúa sobre un grupo de bombas que suministran un
caudal de aceite que acciona aquellos componentes. Las características de estas perforadoras se
resumen en la Tabla 1.
TABLA 1. Características medias de martillos hidráulicos.
Los martillos hidráulicos se clasifican de acuerdo con la potencia generada por su mecanismo de
impacto. Esta potencia da una idea del rendimiento del equipo, pues a mayor número de kW le
corresponde normalmente mayor velocidad de penetración.
Por otro lado, cada perforadora hidráulica está vinculada a un varillaje de una dimensión
específica. Ésta es el diámetro óptimo para soportar las tensiones generadas por el mecanismo de
impacto del martillo. La armonía entre perforadora y varillaje proporciona una optimización de la
velocidad de perforación, junto con una vida de servicio más prolongada del varillaje. Los grupos
de martillos hidráulicos que se consideran son:
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10 Túneles y movimiento de materiales
- Martillos ligeros. Con potencia de impacto de 6 kW, se utilizan con varillaje integral para perforar
barrenos de 33 a 38 mm de diámetro. Su campo de aplicación eó la perforación de bulonado y
auxiliar.
- Martillos medios. Con potencias de impacto de 7,5 kW, para varillaje R32 y diámetros de
perforación de 38 mm.
- Martillos pesados. Con potencias de impacto de 15 a 20 kW, para varillaje de R38 y diámetro
normal de perforación de 45 mm, Martillos empleados para el avance de galerías, perforación de
barrenos largos y perforación de banqueo.
- Martillos de alta potencia. Con potencia máxima de 40 kW, utilizado para perforación de
barrenos largos con diámetros de 89 a 115 mm.
Figura 9. Relación entre tipos de martillos y sartas de perforación
Figura 10. Tipos de martillos y velocidades de penetración.
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11 Túneles y movimiento de materiales
Las razones por las que la perforación hidráulica ha Supuesto una mejora tecnológica sobre la
neumática son las siguientes:
- Menor consumo de energía: las perforadoras hidráulicas trabajan con fluidos a presiones muy
superiores a las accionadas neumáticamente y, además, las caídas de presión son mucho menores.
Se utiliza, pues, de una forma más eficiente la energía, siendo sólo necesario por metro perforado
1/3 de la que se consume con los equipos neumáticos.
- Menor coste de accesorios de perforación: la transmisión de energía en los martillos hidráulicos
se efectúa por medio de pistones más alargados y de menor diámetro que los correspondientes a
los martillos neumáticos. Como se observa en la Fig. 11, la forma de la onda de choque es mucho
más limpia y uniforme en los martillos hidráulicos que en los neumáticos, donde se producen
niveles de tensión muy elevados que son el origen de la fatiga sobre el acero y de una serie de
ondas secundarias de bajo contenido energético. En la práctica, se ha comprobado que la vida útil
del varillaje se incrementa para las perforadoras hidráulicas aproximadamente un 20%.
Figura 11. Ondas de choque en martillos hidráulicos y neumáticos.
Mayor capacidad de perforación: debido a la mejor transmisión de energía y forma de la onda, las
velocidades de penetración de las perforadoras hidráulicas son de un 50 a un 100% mayores que
las de los equipos neumáticos.
- Mejores condiciones ambientales: los niveles de ruido en una perforadora hidráulica son
sensiblemente menores a los generados por una neumática, debido a la ausencia del escape de
aire. Además, en las labores subterráneas no se produce la niebla de agua y aceite en el aire del
frente, mejorando el ambiente y la visibilidad de1 operario.
Por otro lado, la hidráulica ha permitido un diseño más ergonómico de los equipos, haciendo que
las condiciones generales de trabajo y de seguridad sean mucho más favorables.
- Mayor elasticidad de la operación: es posible variar dentro de la perforadora la presión de
accionamiento del sistema y la energía por golpe y frecuencia de percusión.
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12 Túneles y movimiento de materiales
- Mayor facilidad para la automatización: estos equipos son mucho más aptos para la
automatización de operaciones, tales come el cambio de varillaje, mecanismos antiatranque,
robotización, etc.
- Mantenimiento: los componentes internos de los martillos hidráulicos tienen un entorno de
aceite hidráulico limpio y filtrado. El sistema está completamente aislado del exterior, y el
desgaste de las piezas es mínimo. Los martillos hidráulicos requieren por lo tanto un menor
mantenimiento. Así, por ejemplo, para un equipo de 12 kW de potencia el intervalo de servicio es
de 200 h, correspondientes a 15.000 m perforados.
4. SISTEMAS DE AVANCE
Para obtener un rendimiento elevado de las perforadoras, las bocas deben estar en contacto con
la roca en el momento en que el pistón transmite su energía mediante el mecanismo de impactos.
Para conseguir esto, tanto en la perforación manual como mecanizada, se debe ejercer un empuje
sobre la boca que oscila entre los 3 y 5 kN, para los equipos de tipo pequeño, hasta los mayores de
15 kN en las perforadoras grandes.
Los sistemas de avance son los empujadores y las deslizaderas.
4.1. Empujadores
Básicamente, un empujador consta de dos tubos. Uno exterior de aluminio o de un metal ligero, y
otro interior, generalmente de acero, que es el que va unido a la perforadora. El tubo interior
actúa como un pistón de doble efecto, controlándose su posición y fuerza de empuje con una
válvula Que va conectada al circuito de aire comprimido.
4.2, Deslizaderas de cadena
Este sistema de avance está formado por una cadena que se desplaza por dos canales y que es
arrastrada por un motor hidráulico, a través de un reducto y un piñón de ataque, Fig. 12. La
cadena actúa sobre la cuna del martillo que Se desplaza sobre el lado superior de la deslizadera.
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13 Túneles y movimiento de materiales
Las ventajas de este sistema son el bajo precio, facilidad de reparación y la posibilidad de
longitudes de avance grandes. Por el contrario, presentan algunos inconvenientes como son:
mayores desgastes en ambientes abrasivos, peligroso si se rompe la cadena perforando hacia
arriba y dificultad de conseguir un avance suave cuando las penetraciones son pequeñas.
4.3. Deslizadera de tornillo
En estas deslizaderas el avance se produce al girar el tornillo accionado por un motor. Este tornillo
es de pequeño diámetro en relación con su longitud y está sujeto a esfuerzos de pandeo y
vibraciones durante la perforación. Por esa razón, no son usuales longitudes superiores a los 1,8
m.
Las principales ventajas de este sistema son: una fuerza de avance más regular y suave, gran
resistencia al desgaste, muy potente y adecuado para barrenos profundos, menos voluminoso y
más seguro que el sistema de cadena. Sin embargo, los inconvenientes que presenta son: un alto
precio, mayor dificultad de reparación y longitudes limitadas.
4.4. Deslizaderas hidráulicas
El sistema consta de un cilindro hidráulico que desplaza a la perforadora a lo largo de la viga
soporte, Fig. 13.
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14 Túneles y movimiento de materiales
Las deslizaderas hidráulicas presentan las siguientes ventajas: simplicidad y robustez, facilidad de
control y precisión, capacidad para perforar a grandes profundidades y adaptabilidad a gran
variedad de máquinas y longitudes de barrenos Por el contrario, los problemas que plante.an son:
mayores precios, necesidad de un accionamiento hidráulico independiente, peor adaptación que
las perforadoras percutivas que en las rotativas y desgastes en el cilindro empujador.
5. SISTEMAS DE MONTAJE
En los tipos de trabajo que realizan los equipos de perforación, los sistemas de montaje pueden
diferenciarse según sean para aplicaciones subterráneas o a cielo abierto.
5.1 Sistemas de montaje para aplicaciones subterráneas
Los equipos de perforación que más se utilizan en labores de interior son los siguientes:
- Jumbos para excavación de túneles y galerías, explotaciones por corte y relleno, por cámaras y
pilares, etc.
- Perforadoras de barrenos largos en abanico en el método de cámaras por subniveles.
- Perforadoras de barrenos largos para sistemas de cráteres invertidos y cámaras por banqueo.
Otras unidades como son los vagones perforadores sobre neumáticos y los carros sobre orugas se
describen con más detalle junto a las máquinas de cielo abierto.
Los montajes especiales para la ejecución de chimeneas y pozos se ven en un capítulo aparte.
A. Jumbos para túneles y galerías
Los jumbos son unidades de perforación equipadas con uno o varios martillos y cuyas principales
aplicaciones en labores subterráneas se encuentran en avance de túneles y galerías, bulonaje y
perforación transversal, y banqueo con barrenos horizontales.
Los componentes básicos de estos equipos son: el mecanismo de traslación, el sistema de
accionamiento, los brazos, las deslizaderas y los martillos, Fig. 14.
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15 Túneles y movimiento de materiales
Figura 14. Componentes de los jumbos
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16 Túneles y movimiento de materiales
Estas máquinas son actualmente autopropulsadas, disponiendo de un tren de rodaje sobre:
neumáticos, orugas o carriles.
El primero es el más extendido por la gran movilidad que posee (hasta 15km/h), por la resistencia
frente a las aguas corrosivas y por los menores desgastes sobre pisos irregulares. Los chasis en la
mayoría de los casos son articulados, posibilitando los trabajos de excavaciones en curvas.
El montaje sobre orugas se utiliza con muy mal piso, galerías estrechas, con pendientes altas (15°-
20°) y pocas curvas. No son muy frecuentes en trabajos subterráneos.
Figura 15. Jumbo sobre orugas (Atlas Copco).
Los jumbos sobre carriles, que han caído muy en desuso, encuentran aplicación cuando los
trabajos presentan: una gran longitud, pequeña sección; problemas de ventilación y los equipos de
carga y transporte del material se desplazan también sobre carril. Con estos equipos es
imprescindible que desde cada posición el jumbo pueda perforar todos los barrenos previstos. Fig.
16.
Figura 16. Jumbo sobre carriles (Atlas Copco).
Las fuentes de energía suelen ser de tipo diésel o eléctrica. los motores diésel que sirven para el
accionamiento del tren de rodadura, por transmisión mecánica o hidráulica, pueden usarse
también para accionar todos los elementos de perforación, incluidas las unidades compresoras e
hidráulicas. Este sistema se utiliza en proyectos de pequeña envergadura y cuando no existen
problemas de contaminación en el frente más habitual es emplear el motor diésel para el
desplazamiento del equipo y un motor eléctrico para el accionamiento delos elementos de
perforación. En este caso se necesita disponer de una instalación de distribución de energía
eléctrica.
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17 Túneles y movimiento de materiales
También suelen llevar un compresor de aire, usado para la lubricación de los martillos y para el
doble barrido, es decir, el cambio de barrido de agua a barrido con aire para limpiar y secar los
barrenos una vez taladrados.
Los brazos de los jumbos modernos están accionados hidráulicamente, existiendo una gran
variedad de diseños, pero, pueden clasificarse en los siguientes grupos: de tipo trípode, de giro en
la base o en la línea, del número de cilindros y movimientos del brazo dependen la cobertura y
posibilidades de trabajo de los jumbos, por lo que la selección delos brazos es una aspecto muy
importante, ya que las labores a realizar son muy variadas.
Figura 17. Brazo con giro en la base
Figura 18. Brazo con giro en línea
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18 Túneles y movimiento de materiales
También existen brazos de extensión telescópica con incremento de longitud entre 1,2 y 1,6 m.
El número y dimensión de los brazos está en función del avance requerido, la sección del túnel y el
control de la perforación para evitar sobreexcavaciones.
Como criterios generales debe cumplirse que: el número de barrenos que realiza cada brazo sea
aproximadamente el mismo, la superposición de coberturas entre brazos no sea superior del 30%
y el orden de ejecución delos barrenos sea el que permita globalmente unos tiempos de
desplazamiento de los brazos menor.
Para calcular el número de brazos de que debe disponer un jumbo por cada operador y el
rendimiento del mismo, pueden emplearse las siguientes fórmulas:
donde:
Nb = Número de brazos por operador.
Pj = Producción del jumbo por operador (m/h).
Lv = Longitud de la varilla (m).
VP= Velocidad de penetración (m/h).
tm = Tiempo de sacar varilla, movimiento de la deslizadera y emboquille (1-2 min).
tb = Tiempo de cambio de boca (1,5 - 3 min).
lb = Metros de barreno por cada boca (m).
e = Eficiencia del operador (0,5 - 0,8).
Las deslizaderas suelen estar constituidas por vigas de aluminio, que proporcionan una elevada
resistencia a la torsión y un bajo peso, y disponen el motor o el cilindro de avance en la parte
posterior de las mismas para evitar los golpes. Además de los centralizadores finales, se emplean
centralizadores intermedios para suprimir el pandeo del varillaje que suele ser de gran longitud y
pequeña sección. Como no es normal añadir varillas para la perforación de una pega, éstas llegan
a tener longitudes de hasta 4,20 m, e incluso mayores. Cuando el operador tiene que controlar
varios barrenos, el control delas deslizaderas puede ser automático con detención de la
perforación cuando se alcanza una profundidad predeterminada, o el martillo ha terminado su
EQUIPOS DE PERFORACIÓN[ ]
19 Túneles y movimiento de materiales
recorrido sobre la deslizadera. Asimismo, es normal incorporar un sistema de paralelismo
automático para eliminar las desviaciones por errores de angulación y dispositivos de emboquille a
media potencia.
Los jumbos más modernos se suministran con cabina de tipo FOPS y ROPS, silenciada para que el
operario disponga de unas buenas condiciones de trabajo y mejore su rendimiento. La cabina
suele disponer de espacio para uno, dos o más operarios, y está dotada con aire acondicionado
para mantener una temperatura constante y controlada. Un número de palancas mínimo con
diseño ergonómico proporciona la comunicación entre el operario y el sistema de control,
auxiliándose además de pantallas de aplicaciones múltiples, cuyos menús se pueden cambiar
fácilmente para conseguir la información deseada.
En los últimos años la técnica de perforación subterránea ha experimentado un fuerte impulso,
basado en una mayor potencia de percusión de los martillos y en la robotización de los equipos. El
control informático permite medir todos los parámetros de la perforación y adaptarlos a las
necesidades requeridas; además, la utilización de precisos sensores y servoválvulas permite
situarlos barrenos en su posición exacta, evitándose así las impresiones provocadas por los errores
humanos.
Figura 19. Evolución de los rendimientos de perforación en túneles y galerías.
EQUIPOS DE PERFORACIÓN[ ]
20 Túneles y movimiento de materiales
Las ventajas principales de la informática; aplicada a los jumbos de perforación se pueden resumir
en:
Ahorro de mano de obra
Menor tiempo de perforación
Menor sobreperforación
Control de la operación
Mayor avance por pega
Ahorro en varillaje y explosivos
Menores costes de excavación, y
Seguridad en el trabajo.
Los jumbos robotizados cuentan básicamente de los siguientes elementos. Que se añaden a los de
un jumbo convencional:
Un ordenador, que almacena los esquemas de perforación, con sus correspondientes
secuencias de movimiento de brazos, y controla la posición de las distintas articulaciones de
los brazos, asf como la situación de los martillos en las deslizaderas.
Unos sensores, que miden en cada articulación los correspondientes ángulos y la posición de
los martillos en las deslizaderas.
Unas servoválvulas, que aportan a cada cilindro el caudal de aceite adecuado' de acuerdo con
los impulsos eléctricos que reciben del microprocesador.
Un monitor, donde se visualizan tanto los esquemas de las pegas, con indicación de los
barrenos ya perforados en perforación y pendientes de perforar: las velocidades de
penetración en cada barreno; los ángulos de divergencia de cada brazo respecto al eje de
referencia, etc.
Figura 20. Jumbo robotizado Axera T-11
EQUIPOS DE PERFORACIÓN[ ]
21 Túneles y movimiento de materiales
La forma previa de operar dé estos jumbos suele ser la siguiente:
Una vez conducido el jumbo hasta el frente, y estabilizado con sus gatos, se alinea una de
las deslizaderas con el láser que marca la alineación del túnel. Para ello, se usan dos dianas
o colimadores situados en uno de los brazos.
El ordenador lee la posición relativa que ha tomado dicha deslizadera respecto al jumbo, y
a partir de la posición de éste respecto al láser efectúa el cambio de coordenadas
correspondientes sobre el esquema de perforación.
A continuación, se indica la roca que más sobresale en el frente, mediante la ayuda de uno
de los brazos. Esta información da al sistema de control un plano de posicionamiento
desde el cual se pueden mover los brazos sin chocar con el frente.
Figura 21. Alineación de la deslizadera con el rayo láser.
Una vez finalizado el posicionamiento, existen tres modos distintos de operación: automático,
semiautomático y manual.
o Automático. El jumbo es manejado totalmente por el ordenador de a bordo, posicionando
automáticamente cada brazo frente al correspondiente punto de emboquille de acuerdo
con la secuencia programada.
Después de aproximar la deslizadera hasta el frente, se inicia el emboquillado del barreno
con percusión reducida y se continúa la perforación del taladro en régimen normal. Una
vez concluido se
Retira el martillo y automáticamente se mueve el brazo para iniciar el barreno siguiente. El
barreno a en este caso, solamente supervisa la correcta ejecución de la perforación.
EQUIPOS DE PERFORACIÓN[ ]
22 Túneles y movimiento de materiales
o Semiautomático. Cuando las regularidades del frente impiden emboquillar algún barreno
en el punto programado, el perforista moverá el brazo a una nueva zona, cerca de la
mostrada en el esquema de perforación. El sistema de control ajustará automáticamente
la dirección de avance de modo que el fondo del barreno esté en el punto previsto.
o Manual. El jumbo se puede operar manualmente como uno normal, sin intervención del
ordenador. Este modo de operación es útil para perforar los taladros de bulonaje u otras
aplicaciones no coincidentes con el avance convencional.
Los esquemas de perforación se diseñan en un ordenador personal en la oficina pudiendo
obtenerse por impresora gráficos de cada uno de ellos. La instalación en los jumbos se hace
fácilmente mediante disquetes de 3,5", con toda la información almacenada.
En cada esquema de perforación cada l barreno aparece asociado con la siguiente información:
Número de barreno.
Coordenadas X e Y.
Divergencia.
Tipos de barreno: vacío, del cuele, de contorno, de destroza, y de zapatera.
También aparecen en los esquemas de perforación barrenos imaginarios, que representan:
El punto de referencia (marcado por ejemplo con 0).
Las posiciones de descanso de los brazos cuando no estén perforando (marcadas con -1, -2 o -
3).
Otra información adicional corresponde a la secuencia de barrenos de cada brazo. Se pueden
programar dos o más brazos para perforar el mismo barreno, lo cual dará lugar a que sea realizado
por el brazo que llegue primero al número de taladro indicado en la secuencia.
A la hora de establecer la secuencia de cada brazo, se procurará seguir los siguientes criterios:
- Utilización simultánea de todos los brazos.
- Evitar que los brazos trabajen muy cerca uno de otro.
- Evitar que un brazo trabaje en la vertical de otro, para eliminar el riesgo de caída de rocas.
Los jumbos robotizados pueden excavar fácilmente túneles con curvas. Cuando el equipo está
situado en el frente, en el sistema de control se programan los valores de compensación de las
direcciones, ajustándose éstas automáticamente.
Durante la operación, el sistema de control actualiza continuamente el esquema de perforación
mostrando en el monitor el estado de los barrenos: sin perforar, a perforar, a continuación,
perforando. Los barrenos del cuele se muestran actuando en un menú especifico, ya que los
taladros se encuentran a distancias muy pequeñas.
Por otro lado, se puede disponer de un completo conjunto de datos de cada barreno para su
posterior análisis: velocidad de penetración, presión de percusión, presión de avance, presión de
EQUIPOS DE PERFORACIÓN[ ]
23 Túneles y movimiento de materiales
rotación y presión de barrido. Estas curvas, procedentes del registro continuo de los parámetros,
proporcionan valiosa información acerca de las condiciones geológicas del terreno, así como de la
propia máquina, por ejemplo los tiempos muertos de parada, cambios de material fungible, etc.
También se puede archivar la función real en que se ha perforado cada barreno y compararla con
la teórica.
Como se registra la hora de comienzo y fin de la perforación, es posible conocer de una forma
exacta la duración del ciclo completo de trabajo en el frente.
Una vez hecha la voladura, el equipo de topografía procederá a obtener el perfil del túnel
mediante un perfilómetro, ayudando así a corregir los ángulos de los barrenos de contorno para
conseguir una sobreperforación mínima.
Los diámetros de perforación dependen de la sección de los túneles o galerías, que para una roca
de resistencia media a dura pueden fijarse según lo indicado en la Fig. 21
Figura 22. Diámetros de perforación usados según la sección de excavación.
Como para esos calibres el varillaje, tanto si es integral como extensible, está entre los 25 mm y los
37 mm de diámetro, las perforadoras de interior son mucho más ligeras que las de cielo abierto
con energías por golpe más bajas y frecuencias de impacto mayores. En cuanto a los martillos, la
tendencia ha sido la utilización progresiva de los accionados de forma hidráulica en sustitución de
los neumáticos, debido a todas las ventajas descritas en epígrafes precedentes, a las que hay que
añadir aquella que se refiere a la de menor contaminación por las nieblas de aceite y eliminación
de los problemas de hielo en escapes.
Para la perforación de grandes túneles o cámaras, se utilizan los jumbos de estructura porticada
Fig.23. Dichas estructuras se diseñan para un trabajo específico y permiten el paso de la
maquinaria de carga y transporte del material volado habiendo trasladado el jumbo previamente a
una distancia adecuada del frente.
EQUIPOS DE PERFORACIÓN[ ]
24 Túneles y movimiento de materiales
Figura 23. Jumbos de tipo pórtico
Estos jumbos pueden llevar montados gran número de brazos, así como las cestas de
accionamiento hidráulico para permitir a los artilleros la carga de los barrenos o proceder a las
labores de sostenimiento.
B. Perforadoras de barrenos largos en abanico
En minería metálica subterránea se aplican con frecuencia los métodos de explotación conocidos
por cámaras y hundimientos por subniveles. Para el arranque con explosivos es necesario perforar
con precisión barrenos de longitudes entre los 20 y 30 m, dispuestos en abanico sobre unos planos
verticales o inclinados, ascendentes y descendentes.
Inicialmente se empleaban martillos neumáticos con diámetros entre 50 y 65 mm. Los
rendimientos de perforación y productividades en el arranque que se conseguían eran bastante
bajos.
Los equipos que, aún hoy día, se utilizan constan de unos martillos montados sobre deslizaderas,
generalmente de tornillo sinfín, que sujetas a unos soportes de balancín o coronas ancladas a una
barra transversal, permiten cubrir todo un esquema de perforación en abanico desde una misma
posición.
Los equipos más pequeños van instalados sobre un patín o skip conectado a un panel de control y
los medianos sobre vagones de neumáticos autopropulsados.
Las unidades disponen de control remoto para el manejo de las perforadoras, así como de
engrasadores de línea y dispositivos de apoyo sobre los hastiales de la excavación para evitar los
movimientos del conjunto.
Últimamente, el empleo de martillos hidráulicos y varillajes pesados ha permitido llegar a
diámetros de 102 y 115 mm haciendo de nuevo interesantes estos métodos de laboreo, ya que
EQUIPOS DE PERFORACIÓN[ ]
25 Túneles y movimiento de materiales
habían perdido terreno frente a otros alternativos como el de cráteres invertidos o cámaras por
banqueo.
Los equipos de mayor envergadura disponen de un sistema de perforación electrohidráulico,
semejante al de los jumbos sobre neumáticos, y un motor térmico para los traslados o incluso para
el accionamiento de la central hidráulica.
Los chasis son generalmente rígidos sobre orugas o neumáticos, aunque existen también unidades
articuladas sobre neumáticos. Las deslizaderas varían según el fabricante, pudiendo ser de cadena,
tornillo sinfín o de cilindro telescópico. Estas deslizaderas pueden moverse lateral mente para
perforar barrenos paralelos o girar 3600 para realizar barrenos en abanico.
Para conseguir un posicionamiento firme y seguro durante el emboquille y la perforación se
dispone de cilindros de anclaje de techo y muro.
Figura 24. Vagón de perforación y equipo sobre patín para la ejecución de barrenos largos (Atlas
Copco).
Figura 25. Equipo de perforación de barrenos largos montado sobre chasis de neumáticos (Atlas
Copco).
EQUIPOS DE PERFORACIÓN[ ]
26 Túneles y movimiento de materiales
C. Perforación de barrenos largos de gran diámetro
La aplicación del método de Cráteres Invertidos y su derivado de Barrenos Largos supuso hace
algunos años una revolución en la minería metálica, ya que permiten el empleo de grandes
diámetros y esquemas de perforación, que se traducen en unos altos rendimientos y
productividades y bajos costes de arranque.
Figura 26. Equipo subterráneo de perforación con martillo en fondo
La perforación se realiza en diámetros que oscilan entre los 100 y 200 mm, y generalmente con
martillos en fondo de alta presión con los que se consiguen velocidades de penetración
interesantes, aunque existen algunas máquinas montadas sobre neumáticos, el tipo de chasis más
utilizado es el de orugas. Las principales diferencias de estos carros si se comparan con los de cielo
abierto son:
Tienen un diseño más compacto con una deslizadera más corta y robusta, y sistema de avance por
cilindro hidráulico o cadena.
- Disponen de gatos hidráulicos de nivelación.
- La cabeza de rotación proporciona un gran par de giro y amplio control sobre la velocidad de
rotación.
Además de la perforación de los barrenos de producción se utilizan en otros trabajos como son:
taladros para desagües, ventilación, rellenos hidráulicos, conducción de líneas eléctricas, cueles en
galerías y túneles, así como para el avance de chimeneas.
EQUIPOS DE PERFORACIÓN[ ]
27 Túneles y movimiento de materiales
5.2 Sistemas de montaje para aplicaciones a cielo abierto
En los trabajos a cielo abierto los sistemas de montaje de las perforadoras son: chasis ligeros con
neumáticos, carros de orugas y sobre camión. Fig.27. Los primeros intentos para mecanizar los
trabajos en canteras consistieron en la utilización de vagones de perforación con ruedas. Estos
vagones constan de un pequeño chasis en U con dos ruedas fijas V una tercera giratoria, en cuyo
soporte va fijada la barra de tiro para el transporte. Las perforadoras van montadas sobre las
deslizaderas, las cuales pueden girar en un plano vertical sobre una barra o soporte transversal.
Fig. 28.
Figura 27. Sistemas de montaje de perforadoras de superficie.
Cuando se utiliza martillo en fondo es el motor de rotación neumático el que se coloca sobre la
deslizadera. El principal inconveniente de estos equipos es el tiempo invertido en el
posicionamiento y traslado.
El sistema de montaje más popular es el constituido por los carros sobre orugas. Los tipos de
carros que existen en la actualidad pueden dividirse en dos grupos: neumáticos e hidráulicos.
Los carros neumáticos, que son los más antiguos, constan de los siguientes componentes
principales:
- Tren de orugas.
- Motores de traslación.
- Chasis.
EQUIPOS DE PERFORACIÓN[ ]
28 Túneles y movimiento de materiales
- Central hidráulica auxiliar.
- Brazo y deslizadera.
- Motor de avance, y
- Martillo.
Las orugas son independientes y llevan un cilindro hidráulico en cada una de ellas, interconectados
para amortiguar el movimiento oscilante, evitar los choques durante los desplazamientos sobre
terreno accidentado y permitir la perforación desde posiciones difíciles. La altura sobre el suelo es
un criterio de diseño importante para salvar obstáculos durante los traslados.
Figura 28. Vagón perforador sobre neumáticos.
Figura 29. Carro de orugas neumático (Ingersoll-Rand).
EQUIPOS DE PERFORACIÓN[ ]
29 Túneles y movimiento de materiales
Los motores de tracción son independientes y de accionamiento neumático, de tipo pistón, con
engranajes cubiertos conectados a los mandos finales y frenos de disco.
Figura 30. Movimiento oscilante de las orugas (Atlas Copco).
El accionamiento de los cilindros hidráulicos de los brazos y de las deslizaderas se realiza por
medio de una bomba hidráulica movida por un motor neumático.
Los brazos de estos equipos pueden ser fijos, extensibles y articulados, y van anclados a un punto
del chasis. En la Fig.31 se indican los movimientos principales de que están dotadas las
deslizaderas y brazos de estas unidades.
Figura 31. Movimientos del brazo y deslizadera.
Los brazos más sofisticados, generalmente, se utilizan en obras públicas, pues en minería los
trabajos son más rutinarios y sobre superficies más uniformes.
Las deslizaderas disponen de: motor de avance, martillo o cabeza de rotación, control de mandos
de la perforación, centralizador y soporte para las varillas.
EQUIPOS DE PERFORACIÓN[ ]
30 Túneles y movimiento de materiales
Los motores de avance son de tipo pistón y accionan las cadenas de las deslizaderas.
Cuando se perfora con martillo en cabeza éstos van montados sobre la deslizadera y en el caso de
emplear martillo en el fondo, son los cabezales de rotación neumáticos los que se colocan sobre
las mismas.
El centralizador o mordaza-guía asegura el correcto comienzo de los barrenos y posibilita: el
cambio de varillaje.
El panel de mandos suele ir instalado sobre la deslizadera y posibilita la selección de los
parámetros de perforación más adecuados para cada tipo de roca. Los controles de los motores de
tracción y cabrestantes se colocan generalmente sobre un brazo giratorio que permite al operador
alejarse de la máquina para moverla en condiciones de mayor seguridad.
Estos carros llevan en la parte posterior un gancho para el arrastre del compresor.
Cuando se utilizan perforadoras con martillo en fondo, con el fin de disminuir el consumo de aire
se ha introducido el accionamiento hidráulico en las siguientes componentes: motores de
traslación, motores de avance, cabezas de rotación y movimientos de la pluma y deslizadera. El
ahorro energético que se consigue es elevado tal como se refleja en la Fig. 32.
Figura 32. Ahorro de energía en perforadoras neumáticas con martillo en fondo y accionamientos
hidráulicos.
Los carros de perforación totalmente hidráulicos presentan sobre los equipos neumáticos las
siguientes ventajas:
- Menor potencia instalada y, por tanto, menor consumo de combustible.
- Diseño robusto y compacto que suele incorporar el compresor de barrido a bordo.
- Velocidad de desplazamiento elevada y gran maniobrabilidad.
- Gama amplia de diámetros de perforación, 65 a 125 mm, existiendo en el mercado equipos
que trabajan entre 200 y 278 mm.
EQUIPOS DE PERFORACIÓN[ ]
31 Túneles y movimiento de materiales
- Posibilidad de colocar un cambiador automático de varillas de perforación.
- Velocidades de perforación de un 50 a un 100% más altas que con las unidades neumáticas.
- Mejores condiciones ambientales.
- Menores costes de perforación.
Por el contrario, los inconvenientes son:
- Mayor precio de adquisición.
- Se precisa un mantenimiento más cuidadoso y cualificado.
- La indisponibilidad mecánica suele ser mayor que en los equipos neumáticos que son de fácil
reparación.
En cuanto al diseño, conceptual mente son semejantes a los carros neumáticos, si bien presentan
una serie de diferencias que pueden concretarse en:
La fuente de energía suele ser un motor diésel, aunque existen unidades eléctricas que accionan la
central hidráulica y el compresor para el aire de barrido.
- Las bombas hidráulicas, generalmente cuatro, son de caudal fijo, aunque también existen
unidades en el mercado que incorporan algunas bombas de caudal variable.
- La presión máxima del fluido hidráulico suele ser inferior a los 20 MPa.
- Como elementos opcionales que suelen llevar más frecuentemente, además del captador de
polvo, están las cabinas del operador insonorizadas y climatizadas y los cambiadores
automáticos de varillas, cabrestantes y gatos hidráulicos.
- La mayoría de las casas fabricantes incorporan sistemas antiatranques. Fig. 34.
- Las orugas disponen de tensores ajustables hidráulicamente.
- Los motores de tracción suelen ser del tipo de pistones axiales inclinados con desplazamiento
fijo y simétrico para poder girar en ambos sentidos.
- Las deslizaderas llevan un tambor desplazable de recogida y guiado de las mangueras
hidráulicas.
- Los motores de avance hidráulicos ejercen fuerzas máximas hacia adelante y hacia atrás entre
20 y 32 kN, con velocidades de avance de hasta 40 m/min.
- La guía de las varillas es hidráulica así como el tope de ésta.
- El depósito de combustible tiene capacidad suficiente para operar durante uno o dos relevos
en algunos casos.
El montaje sobre camión sólo se utiliza con equipos rotativos y/o de martillo en fondo que
disponen de compresores de alta presión.
En ocasiones, se utilizan pequeñas palas de ruedas multiuso equipadas con un brazo retro sobre el
que se monta una perforadora.
EQUIPOS DE PERFORACIÓN[ ]
32 Túneles y movimiento de materiales
Estas unidades son capaces de perforar barrenos de 22 a 89 mm de diámetro con varillaje integral
o extensible. Los trabajos que realizan más frecuentemente son: perforación secundaria, zanjas,
cimentaciones, etc.
Figura 33. Carro hidráulico (Atlas Copco).
Figura 34. Esquema de funcionamiento del sistema antiatranques (Tamrock).
EQUIPOS DE PERFORACIÓN[ ]
33 Túneles y movimiento de materiales