Equipos de perforacin manualEs el sistema de perforacin ms convencional de perforacin, utilizado por lo general para labores puntuales y obras de pequea escala debido principalmente a la facilidad en la instalacin de la perforadora y a los requerimientos mnimos de energa para funcionar (un compresor porttil). Esto permite realizar labores de perforacin en zonas de difcil acceso sin que sea necesario personal muy experimentado para la operacin y mantencin de las perforadoras, lo que significa un menor costo por metro perforado.Perforacin manual con martillo en cabezaEste sistema de perforacin se puede calificar como el ms clsico o convencional, y aunque su empleo por accionamiento se vio limitado por los martillos en fondo y equipos rotativos, la aparicin de los martillos hidrulicos en la dcada de los setenta lo ha hecho resurgir, ampliando su campo de aplicacin.Perforadoras neumticasEn este tipo de perforadoras, el martillo es accionado por aire comprimido. Los principales componentes de este sistema son:Cilindro cerrado con una tapa delantera que dispone de una abertura axial donde va colocado el elemento portabarras, as como un dispositivo retenedor de barras de perforacin.El pistn, que con su movimiento alternado golpea el vstago o culata a travs de la cual se transmite la onda de choque a las barras.La vlvula, que regula el paso de aire comprimido en un volumen determinado y de manera alternativa a la parte anterior y posterior del pistn.El mecanismo de rotacin, ya sea de barra estriada o de rotacin independiente.El sistema de barrido, que consiste en un tubo que permite el paso del aire hasta el interior de las barras.AccesoriosEmpujadoresson los accesorios utilizados para dar el empuje que requiere la perforadora. Bsicamente, un empujador consta de dos tubos: uno exterior de aluminio o de un metal ligero y otro interior de acero, el que va unido a la perforadora. El tubo interior acta como un pistn de doble efecto, controlndose su posicin y fuerza de empuje con una vlvula que va conectada al circuito de aire comprimido. Esto permite avanzar con la perforacin y usar el accionamiento neumtico del empujador para el avance respectivo.

Barrenas integraleses el conjunto de barras que unen la fuente de energa mecnica (pistn) con la roca mediante el bit. Las barras integrales estn constituidas por un culatn que est en contacto directo con el pistn de la perforadora y una barra que va unida a la broca o bit, que es el elemento que est en contacto con la roca. Este dispositivo es el que ejerce el mecanismo de fractura y avance sobre el macizo rocoso.

Caractersticas principalesLas longitudes de perforacin que se alcanzan mediante este sistema de perforacin neumtico suelen no superar los 30 m debido a las importantes prdidas de energa en la transmisin de la onda de choque y desviaciones que tienen lugar en la perforacin.CaractersticaValores

Relacin dimetro pistn/dimetro de perforacin15/1,7 mm/mm

Carrera del pistn35 - 95 mm

Frecuencia de golpeo1500 a 3400 golpes/min.

Velocidad de rotacin40 - 400 RPM

Consumo relativo de aire2,1 - 2,8 (m3/min cm dimetro)

El campo de aplicacin de las perforadoras neumticas de martillo en cabeza se ha ido estrechando cada vez ms hacia perforaciones cortas -de longitudes entre 3 y 15 m, y dimetros entre 50 mm a 100 mm-, fundamentalmente debido a que la frecuencia de impactos y la forma de la onda de choque que se transmite con pistones de gran dimetro conllevan a un elevado consumo de aire comprimido (2,4 m3/min por cada centmetro de dimetro) y a fuertes desgastes que se producen en todos los accesorios (barras, manguitos, brocas, etc.).

Estas caractersticas constituyen la principal desventaja de las perforadoras neumticas. No obstante, estos equipos presentan an numerosas ventajas:Gran simplicidad de manejo.Fiabilidad y bajo costo de mantenimiento.Facilidad de reparacin.Bajos precios de mercado.Posibilidad de funcionar conectados a antiguas instalaciones de aire comprimido de minas subterrneas.Perforacin mecanizadaLa necesidad de incrementar los dimetros de perforacin (sobre 3") para responder a mayores ritmos de produccin en las faenas mineras, y el desarrollo tecnolgico en el mbito de la automatizacin de las operaciones introdujeron importantes cambios a la perforacin de rocas. La mecanizacin utiliza sistemas que permiten relacionar los valores de las variables de rotacin, empuje, percusin, barrido con los de las variables dependientes de la roca (dureza, resistencia) y con las posibilidades de los equipos de perforacin, en funcin de una mayor velocidad de penetracin y mayor rendimiento, que en definitiva llevan a un menor costo por metro perforado.Perforadoras hidrulicas con martillo en cabeza (O.T.H)A finales de los aos sesenta y comienzo de los setenta tuvo lugar un gran avance tecnolgico en la perforacin de rocas a causa del desarrollo de los martillos hidrulicos.Una perforadora hidrulica consta bsicamente de los mismos elementos que una neumtica. Sin embargo, la principal diferencia entre ambos sistemas radica en que las perforadoras hidrulicas utilizan un motor que acta sobre un grupo de bombas, las que suministran un caudal de aceite que acciona los componentes de rotacin y movimiento alternativo del pistn.Martillo hidralico

Aunque en un principio la introduccin de estos equipos fue ms importante en trabajos subterrneos, con el tiempo se han ido imponiendo en las faenas de perforacin de superficie, complementando a las perforadoras neumticas.La perforacin hidrulica supone una superioridad tecnolgica en relacin con la perforadora neumtica debido a las siguientes caractersticas:Menor consumo de energalas perforadoras hidrulicas trabajan con fluidos a presiones muy superiores a las accionadas neumticamente y, adems, las cadas de presin son mucho menores. Por lo tanto, la utilizacin de la energa es ms eficiente, siendo necesario slo 1/3 de la energa que se consume con los equipos neumticos.Menor costo de accesorios de perforacinen los martillos hidrulicos la transmisin de energa se efecta por medio de pistones ms alargados y de menor dimetro que los de los martillos neumticos. La fatiga generada en las barras depende de la seccin y del tamao del pistn. La forma de la onda de choque es mucho ms uniforme en los martillos hidrulicos que en los neumticos, donde se producen niveles de tensin muy elevados, que son el origen de la fatiga sobre el acero y de una serie de ondas secundarias de bajo contenido energtico. En la prctica, se ha comprobado que la vida til de la sarta se incrementa en 20% para perforadoras hidrulicas.Mayor capacidad de perforacindebido a la mejor transmisin de energa de la onda, las velocidades de penetracin de las perforadoras hidrulicas son entre 50% y 100% mayores que en los equipos neumticos.Mejores condiciones ambientaleslos niveles de ruido en una perforadora hidrulica son sensiblemente menores a los generados por una neumtica debido a la ausencia del escape de aire. Adems, la tecnologa de la perforadora hidrulica ha logrado el desarrollo de mejores diseos de equipos, haciendo que las condiciones generales de trabajo y seguridad sean mucho ms favorables.Mayor elasticidad de la operacinen la perforadora hidrulica es posible variar la presin de accionamiento del sistema, la energa por golpe y la frecuencia de percusin.Mayor facilidad para la automatizacinestos equipos son mucho ms aptos para la automatizacin de operaciones, tales como el cambio de varillaje y mecanismos antiatranque, entre otros.Por el contrario, los inconvenientes que presentan son:Mayor inversin inicial debido a todos los componentes asociados a la perforadora, a su sistema de avance automtico y a las caractersticas de las fuentes de energa que utiliza (energa elctrica e hidrulica).Reparaciones ms complejas y costosas que en las perforadoras neumticas, requirindose una mejor organizacin y formacin de personal de mantenimiento.Principales caractersticasCaractersticaUnidades

Presin de trabajo7,5 - 25 MPa

Potencia de impacto6 - 20 kw

Frecuencia de golpeo2000 - 5000 golpes/min

Velocidad de rotacin1 - 500 RPM

Consumo relativo de aire0,6-0,9 (m3/min. cm dimetro)

Perforadoras con martillo en fondo (D.T.H)Los martillos que poseen estos equipos fueron desarrollados por Stenuick en 1951, y desde entonces se han venido utilizando tanto en minas a cielo abierto como en minas subterrneas asociadas al uso de mtodos de explotacin de tiros largos (L.B.H.) y V.C.R.Actualmente, en el caso de obras de superficie, este mtodo de perforacin est indicado para rocas duras y dimetros superiores a los 150 mm.

El funcionamiento de un martillo en fondo se basa en que el pistn golpea directamente a la broca durante la perforacin, generalmente con una frecuencia de golpeo que oscila entre 600 y 1.600 golpes por minuto.El fluido de accionamiento es aire comprimido, que se suministra a travs de un tubo que constituye el soporte y hace girar el martillo. La rotacin es efectuada por un simple motor neumtico o hidrulico montado en el carro situado en superficie (figura anterior).La limpieza del detrito se efecta por el escape del aire del martillo a travs de los orificios de la broca.Parte interior de un martillo D.T.H.

Considerando la posible percusin en vaco de los martillos que implica una prdida de energa, los martillos de estas perforadoras suelen ir provistos de un sistema de proteccin, que cierra el paso del aire al cilindro cuando la broca no se apoya en la roca del fondo del taladro.En el caso de la perforacin de rocas en presencia de agua, puede ocurrir que la columna de agua disminuya el rendimiento de la perforacin, por lo que es aconsejable disponer de un compresor con una presin de aire suficiente para proceder a la evacuacin del lquido.En cuanto al empuje, una regla prctica es la de aproximarse a los 85 kg por cada centmetro de dimetro. Un empuje excesivo no aumentar la penetracin, sino que acelerar los desgastes de la broca y aumentar los esfuerzos sobre el sistema de rotacin. Cuando se perfore a alta presin (en rocas de gran resistencia como un granito) se precisar al inicio una fuerza de avance adicional para superar el efecto de contraempuje del aire del fondo de la perforacin. Por el contrario, cuando la profundidad de perforacin sea grande (sobre 20 metros) y el nmero de tubos sea tal que supere el peso recomendado ser necesario entonces que el perforista accione la retencin y rotacin para mantener un empuje ptimo sobre la broca.Las velocidades de rotacin recomendadas varan en funcin del tipo de roca. Los valores se sealan en la siguiente tabla:Velocidades de rotacin aconsejadas en funcin del tipo de roca

Tipo de rocaVelocidad de rotacin (RPM)

Muy blanda40-60

Blanda30-50

Media20-40

Dura10-30

En la prctica, puede ajustarse la velocidad de rotacin a la de avance utilizando la siguiente expresin: Velocidad de rotacin (RPM) = 1.66 x Velocidad de penetracin (m/h)En cuanto al tamao de las barras, stas deben tener dimensiones adecuadas que permitan la correcta evacuacin de los detritos por el espacio anular que queda entre ellas y la pared del barreno. Los dimetros recomendados en funcin del dimetro de perforacin se sealan en la siguiente tabla:Dimetros recomendados en funcin del dimetro de perforacin

Dimetro de perforacin (mm)Dimetro de las barras (mm)

102-11576

127-140102

152-165114

200152

La perforacin con martillo en fondo presenta ventajas en relacin con la utilizacin del martillo en cabeza:La velocidad de penetracin se mantiene prcticamente constante a medida que aumenta la profundidad de la perforacin.Los desgastes de las brocas son menores que con martillo en cabeza debido a que el aire de accionamiento que pasa a travs de la broca limpiando la superficie del fondo asciende eficazmente por el pequeo espacio anular que queda entre la tubera y la pared del pozo.La vida til de las barras es ms larga en relacin con las utilizadas con martillo en cabeza.Las desviaciones de los barrenos son muy pequeas, por lo que son apropiados para perforaciones de gran longitud.El costo por metro lineal en dimetros grandes y rocas muy duras es menor que con perforacin rotativa.El consumo de aire es ms bajo que con martillo en cabeza neumtico.El nivel de ruido en la zona de trabajo es inferior al estar el martillo dentro de la perforacin.El martillo en fondo presenta ciertos inconvenientes respecto del martillo en cabeza, los que se sealan a continuacin:Cada martillo est diseado para una gama de dimetros muy estrecha, que oscila entre 12 y sobre 200 mm.El dimetro ms pequeo est limitado por las dimensiones del martillo con un rendimiento aceptable, que en la actualidad es de unos 76 mm.Existe un riesgo de prdida del martillo dentro de los barrenos por desprendimientos de roca.Se precisan compresores de alta presin con elevados consumos energticos.Dimensiones y caractersticas principalesEn la siguiente tabla se sealan las principales caractersticas de algunos martillos en fondo:Dimetros recomendados en funcin del dimetro de perforacin

CaractersticasDimensiones

Dimetro de perforacin (mm)100 - 125 - 150 - 200 - 300

Dimetro del pistn (mm)75 - 91- 108 - 148 - 216

Carrera del pistn (mm)100 - 102 - 102 - 100 - 100

Peso del martillo (kg)38,5 - 68,5 - 106 - 177- 624

Consumo de aire (m3/min a 1 MPa)4,7 -6,7 -10,1 -17,1 - 28,2

Accesorios de perforacin en equipos mecanizadosDeslizaderasUno de los accesorios que sirven para alojar el elemento de perforacin (pistn) y realizar el avance en forma mecanizada es la llamada "deslizadera", la que va montada en los brazos de los jumbos y a la que se puede incorporar un conjunto de aparatos automatizados e integrados al panel de control del operador.Deslizaderas de cadenaeste sistema de avance est formado por una cadena que se desplaza por dos canales y que es arrastrada por un motor neumtico o hidrulico, segn el fluido que se utilice en el accionamiento del martillo, a travs de un reductor y pin de ataque. La cadena acta sobre la cuna del martillo que se desplaza sobre el lado superior de la deslizadera.Este sistema es muy utilizado tanto en equipos de superficie como subterrneos debido a su bajo precio, a la facilidad de reparacin y a la posibilidad de lograr grandes longitudes de perforacin. Algunos inconvenientes de este sistema son los mayores desgastes en ambientes abrasivos, el peligro que representa si se rompe la cadena perforando hacia arriba y la dificultad de conseguir un avance suave cuando las penetraciones son pequeas.

Deslizaderas de tornilloen estas deslizaderas el avance se produce al girar el tornillo accionado por un motor neumtico. Este tornillo es de pequeo dimetro en relacin con su longitud y est sujeto a esfuerzos de pandeo y vibraciones durante la perforacin. Por esta razn, no son usuales longitudes superiores a los 1,8 m.Las principales ventajas de este sistema son: una fuerza de avance ms regular y suave, y gran resistencia al desgaste. Se trata, adems, de un sistema menos voluminoso y ms seguro que el de cadenas.Sin embargo, los inconvenientes que presentan son: un alto precio, mayor dificultad de reparacin y longitudes limitadas.

Deslizaderas hidrulicasel rpido desarrollo de la hidrulica en la ltima dcada ha hecho que este tipo de deslizaderas se utilice incluso en perforadoras neumticas. El sistema consta de un cilindro hidrulico que desplaza la perforadora a lo largo de una viga soporte. Las deslizaderas hidrulicas presentan las siguientes ventajas: simplicidad y robustez, facilidad de control y precisin, capacidad para perforar grandes profundidades y adaptabilidad a gran variedad de mquinas y longitudes de barrenos.Por el contrario, los problemas que plantean son: mayores precios, la necesidad de contar con un accionamiento hidrulico independiente, se adaptan mejor en las perforadoras rotativas que en las percutivas y presentan ms desgastes en el cilindro empujador.Sarta de perforacinEsta es uno de los componentes ms importantes del equipo de perforacin, pues se trata de la estructura que conecta la perforadora con la roca. La sarta est compuesta de los siguientes elementos:Adaptadores de culatacorresponden a aquellos elementos que se fijan a las perforadoras para transmitir la energa de impacto, la rotacin y el empuje.Manguitos o coplasson estructuras que sirven para unir las barras hasta conseguir la longitud deseada, asegurando que los extremos estn en contacto para una mejor transmisin de energa.Barras de extensinson las barras empleadas cuando se perfora con martillo en cabeza. stas tienen seccin hexagonal o circular y en el caso de emplear perforacin manual, generalmente lo que se usa son las barras (barrenas) integrales, las cuales tienen unida la barra y el bit, eliminando el empleo de coplas y mejorando la transmisin de energa. Los principales tipos de barras integrales son:Barras tipo cincel: son las ms usadas y se caracterizan por su bajo costo y reparacin.Barras de insertos mltiples: para rocas blandas y fisuradas.Barras de botones: usadas para rocas poco abrasivas, de fcil penetracin. Por ejemplo, se utilizan en minas de carbn.Brocaslas brocas o bits son los elementos que estn en directo contacto con la roca que se est perforando. Por esta razn, las caractersticas de la roca son importantes de considerar al momento de escoger el tipo de broca. Las brocas que se utilizan en la perforacin son de dos tipos:Pastillas o plaquitasBotonesRoscasestos elementos tienen la funcin de unir las culatas, coplas, barras y brocas, obteniendo un ajuste eficiente entre los elementos de la sarta para lograr una adecuada transmisin de energa. Es importante considerar que un apriete excesivo dificulta el desacoplamiento.

Tubosel uso de perforadoras hidrulicas con martillo en cabeza en perforaciones de gran dimetro (sobre 115 mm) ha llevado a disear tubos de perforacin especficos que poseen las siguientes ventajas:Mayor rigidez, lo que permite reducir las desviaciones.Mejor transmisin de la energa, al no ser necesario el uso de coplas.Mejor barrido, al existir una mejor transmisin del aire en el espacio anular.Respecto de los materiales con que se construyen la sarta y sus componentes, es importante considerar que los aceros empleados en la estructura de la sarta deben ser resistentes a la fatiga, a la flexin, a los impactos y al desgaste. Lo ideal es utilizar aceros con un ncleo no muy duro y una superficie endurecida y resistente al desgaste de acuerdo con lo siguiente:Aceros de alto contenido en carbono, en los que la dureza deseada se consigue controlando la temperatura en el proceso de fabricacin. La culata se trata por separado para conseguir una alta resistencia a los impactos.Aceros de bajo contenido de carbono, que se utilizan en barras, adaptadores, coplas y brocas. Se trata de aceros que contienen pequeas cantidades de cromo y nquel, manganeso y molibdeno.Los insertos de las brocas se fabrican a partir de carburo de tungsteno y cobalto, ya que estos materiales se caracterizan