Perforación y sondaje: Métodos y equipos

Gentileza Atlas Copco
Gentileza Atlas Copco

Existe un gran número de técnicas de excavación; pero, de acuerdo a los expertos, las más empleadas son la perforación a rotación con recuperación de testigo, rotación y rotopercusión.

Con este proceso se realizan búsquedas visuales de anomalías geológicas en la superficie, lo que puede dar indicios de presencia de minerales y poder producir.

Actualmente, el mercado cuenta con diferentes tecnologías de perforación y sondaje tanto como para la minería a rajo abierto como para la subterránea.

Patricia Avaria R.
Periodista Construcción Minera

Los primeros pasos para comenzar a explotar minerales en la industria de la minería, son los procesos de exploración y extracción,  estos consisten en identificar las zonas por donde se ubican los yacimientos de minerales que luego – dependiendo de su dimensión y composición – serán explotados en un proyecto minero. Al principio se tiene como tarea el identificar la zona donde se ubica el yacimiento minero. Para ello se procede a realizar el cateo, que consiste en realizar búsquedas visuales de anomalías geológicas en la superficie, lo que puede dar indicios de presencia de minerales.

Para realizar dichas tareas de exploración y extracción, se necesitan perforadoras y sondajes que hacen posible que esta actividad se desarrolle. Raúl Dagnino, gerente general de Terraservice, cuenta que existe un gran número de técnicas de perforación, pero las más comunes y más empleadas son: rotación con recuperación de testigo (con corona de diamante), rotación y rotopercusión.

“La elección del método de perforación requiere siempre llegar a un compromiso entre velocidad, coste y cantidad y calidad de la muestra a recuperar, además de aspectos logísticos y medioambientales”, explica.

Perforación a rotación

Los sistemas de perforación a rotación (Rotary Drilling, en inglés) se caracterizan, porque la extracción se realizada únicamente por la rotación del elemento de corte, sobre la que se ejerce un empuje desde el extremo del varillaje, con ausencia del elemento de percusión.

Por este motivo, este sistema es usado principalmente en formaciones rocosas blandas, que son perforadas a través del corte por cizalladura. La perforación rotativa es la más rápida, más barata y más sencilla de los métodos de exploración minera. Se obtiene un rendimiento óptimo en formaciones sedimentarias, llegando incluso a la centena de metros por turno.

La rotación se genera por medio de un conjunto de motores y engranajes, llamado “cabeza de rotación” que además mueve hacia arriba o hacia abajo la sarta de excavación para proporcionar el empuje requerido sobre la boca de perforación.

Aunque algunas perforadoras rotativas vienen montadas sobre neumáticos en camiones para obras civiles o canteras, generalmente las mineras son ajustadas sobre chasis con orugas planas, dependiendo del uso y terrenos a los que se les vaya a destinar.

Las máquinas rotativas se componen de un cuerpo estructural, que consiste en: convertidor de corriente alterna a continua, generador, motor principal, compresor, motor hidráulico, motor del cabezal, motor de propulsión, equipo de empuje e izado y gatos niveladores.

En general, “las dos principales variantes del sistema de rotación son la rotación con circulación directa y la rotación con circulación inversa, dependiendo del sentido de circulación del fluido de perforación”, cuenta el experto. No obstante, ya los modernos equipos de perforación a rotación suelen estar preparados para trabajar en varios sistemas (circulación directa o inversa, rotopercusión, rotación con aire), pudiendo de este modo adaptarse a las condiciones específicas de cada perforación.

En sondeos menos profundos, el efecto de circulación inversa se puede provocar por aspiración, generalmente mediante bombas centrífugas, aunque en la práctica, su eficacia se ve limitada a unos seis metros. El efecto de “aspiración” se puede lograr de varios sistemas: utilizando un varillaje de doble pared o con conductos laterales, de forma que puede inyectarse aire a presión mediante un compresor. A una profundidad determinada se introduce el aire, mediante un sistema de válvulas, al interior del varillaje, que está relleno de agua o lodo. La inyección del lodo provoca un “aligeramiento” en la columna de lodo del interior del varillaje con respecto a la columna del anular, con la consiguiente diferencia de presión que induce un efecto de “aspiración”. De este modo el lodo asciende por el interior del varillaje, arrastrando el detritus de perforación hasta el exterior.

Perforación con martillo

El método de perforación con martillo en cabeza (en inglés Top Hammer Drilling) es aquel en la que el martillo de perforación genera la percusión, que está situado en el extremo de la sarta, ubicado sobre la deslizadera de la columna. Por lo tanto, la energía de impacto se transmite desde el martillo hasta la boca de excavación a través de toda la sarta de varillaje en forma de ondas de choque.

Este método es rápido para la excavación en roca en buenas condiciones. Tiene como inconveniente que la sarta que sufre la percusión del martillo y además en la perforación de pozos largos pueden surgir grandes desviaciones en la extracción.

Por otro lado, existe la  perforación con martillo en fondo (Down the Hole Drilling, DTH), el cual proporciona la percusión que está situado en el interior del pozo, estando en contacto directo con la boca de este proceso. De este modo el pistón del martillo transmite la energía al elemento de corte. Así, las pérdidas de energía son insignificantes a medida que se aumenta la longitud de excavación.

“Este es el método más empleado para la excavación de pozos largos, ya que se reducen las desviaciones en estos casos y se reduce también el desgaste de la sarta de perforación”, señala el ejecutivo.

Las barras de este tipo de perforación, son tubos de sección circular con diámetro de 63,5 a 102 mm (2½” a 4”) para bocas o elementos cortantes entre 76,2 a 152,4 mm (3 a 6”) Se caracterizan por conseguir una velocidad de penetración más constante que el martillo en cabeza.

Perforación a rotación con recuperación de testigo

En todo proceso de exploración existe un punto en el que después del estudio realizado con métodos indirectos de prospección es necesaria la verificación de éstos mediante la toma de muestras de roca en profundidad. Esta toma de muestras se realiza por medio de los sistemas de perforación con recuperación de testigo.  Según Dagnino, “los testigos son las muestras del macizo rocoso que nos van a permitir un análisis directo de los diferentes materiales que atraviesa, así como la presencia de mineralizaciones, para estudiar su potencial explotación”.

Asimismo, la perforación a rotación con recuperación de testigo se basa en que un elemento de corte de forma anular, con diamantes industriales incrustados colocado en el extremo de una sarta de perforación, “corta” la roca obteniendo un cilindro de roca que se aloja en el interior de la sarta, a medida que el elemento de corte avanza. El elemento de corte se denomina corona de diamante.

En la extracción con diamante el agua es el fluido de excavación más usual, aunque el aire es usado en algunas ocasiones con éxito. En ocasiones también se usa una mezcla de agua y lodo. El agua se bombeada por el interior de la sarta hasta alcanzar la corona de diamante, saliendo por el espacio anular entre la sarta de perforación y la roca. En la superficie, el agua de retorno suele ser recogido en un tanque donde se decanta el contenido de finos en suspensión procedentes del detritus de perforación. Una vez decantado, el agua puede ser recirculada de nuevo.

El testigo recuperado se aloja en los denominados tubos sacatestigos (o portatestigos), que permiten su desmontaje en el exterior para una mejor maniobrabilidad del mismo. Para la extracción de los núcleos de roca se han desarrollado tubos sacatestigos de diferentes características que han permitido mejorar la recuperación en terrenos difíciles.

El testigo entra en el tubo interior (portatestigo), situado dentro del tubo de sarta inmediatamente detrás de la corona de perforación. Se evita que el testigo caiga de nuevo en el pozo por medio de un casquillo en forma de cuña montado en la base de la sarta, llamado muelle rompetestigo o portatestigo. La longitud de las barras es normalmente de hasta 6 metros de longitud, dependiendo del tamaño del equipo de perforación.

La perforación con corona de diamante permite realizar estudios geológicos e incluso se pueden obtener gran volumen de muestra para evaluaciones geoquímicas. El testigo puede ser orientado permitiendo la medida de las estructuras geológicas, reproduciendo la posición del testigo en el macizo rocoso.

Los tamaños de testigo estándar van desde 27 mm a 85 mm de diámetro. Los diámetros de testigo usados normalmente con el sistema wireline son: AQ (27 mm), BQ (36,5 mm), NQ (47,6 mm), HQ (63,5 mm) y PQ (85 mm).

Perforación a rotopercusión

El sistema de extracción a rotopercusión se basa en que la excavación se logra a través de la combinación de aplicar a la sarta de perforación un empuje y una rotación, junto con una percusión, logrando así una mejor fragmentación de la roca.

Esta técnica es aplicable en investigaciones en las que los cuerpos mineralizados están próximos a la superficie o en ciertas zonas donde exista un recubrimiento difícil para cualquiera de otros métodos de excavación (con diamante o a rotación) y sea necesario atravesar esa formación para después proseguir con otro de los métodos (recuperación de testigo o perforación con tricono). “Este sistema tiene el inconveniente de que no se puede extraer testigo continuo”, explica Dagnino.

En sondeos superficiales los métodos de excavación pueden ser con martillo en cabeza o bien martillo en fondo. A partir de 20-30m es habitual el uso de martillo en fondo. En ambos casos el detritus se tiene que recoger en ciclones y captadores de polvo, introduciéndolos en bolsas de plástico para su posterior análisis. Los equipos de perforación son los diseñados para la perforación de pozos de voladura, con chasis adaptados a cada caso.

Principales equipos

Actualmente el mercado ofrece una gama de perforadoras para la minería, las cuales hacen posible el buen procedimiento de exploración en la industria. Dichas perforadoras cuentan con diferentes características  técnicas y tecnologías, ya sea como para superficies como subterráneas.

Equipos de superficie

El equipo hidráulico BG 36 montado sobre carro de orugas, permite perforar un diámetro mínimo de 620 mm y un diámetro máximo entubado de 2200 mm, alcanzando profundidades de 50 metros, dependiendo del tipo de terreno.

Asimismo, cuenta con un torque (390 kNm), peso operativo (132 ton), y empuje (350 kN). Cada uno de estos parámetros es un 30% mayor que cualquier otro equipo de estas características en el país, permitiendo perforar pilotes de hasta ø 2200 [mm] encamisado, así como mejorar los rendimientos.

Estos equipos pueden perforar  mediante dos sistemas a rotación: rotación con entubación (o camisa) recuperable, que consiste en perforar con hélice o balde conteniendo las paredes de la excavación mediante tubería metálica recuperable; y como rotación con lodos estabilizantes (sin camisas), que se fundamente en perforar con hélice o balde conteniendo las paredes de la perforación mediante el uso de lodos bentoníticos o polímeros. Este sistema, solo aplica en ciertos tipos de suelos, y permite alcanzar impresionantes rendimientos.

El equipo que es de origen Alemán, cuenta con sistemas y alertas para trabajar con los estándares de seguridad. Se destacan limitadores de carrera, nivelación automática del mástil para posicionar y mantener el eje de perforación, pantalla de trabajo táctil, sensores en todos sus componentes mecánicos e hidráulicos, así como la emisión de reportes automáticos en la pantalla de trabajo con identificación de errores.

Según Pilotes Terratest, este equipo además ser parte de la industria de la minería es también parte de la construcción, en donde se desempeña principalmente en la fundación profunda de estructuras o sostenimiento de terreno, en proyectos de obras civiles en edificación, infraestructura, industria, energía y minería. El equipo solo lleva un par de meses con nosotros y se encuentra ejecutando su primer proyecto: Proyecto “Santiago Centro – Oriente etapa 2”, que consiste en la construcción y mejoramiento de la Costanera Norte, donde realiza Pilotes c/camisa recuperable en diámetros 880-1000-1200-1500-2000 mm en viaductos, trinchera de salida del túnel Kennedy, en nudo Américo Vespucio y pique Américo Vespucio Oriente. “Alternativamente con estos equipos también hemos ejecutado pozos de extracción de biogás en rellenos sanitarios y vertederos a lo largo de todo el país”, cuentan desde la empresa.

Por otro lado, existe el modelo JD800E marca Junjin (Corea), que perfora pozos de entre 64 y 102 mm de diámetro a una profundidad de hasta 20 metros, y el modelo JD1300E, que perfora entre 76 y 114 mm de diámetro hasta una profundidad de 25 metros.  Estos equipos se utilizan para perforación en superficie de pozos para tiros de explosivos (tronadura en excavación de roca) y para instalación de pernos de anclaje en fortificación de taludes. “Son equipos diferentes a los utilizados para sondaje, ya que no obtienen testigos de roca, sino que hacen pozos y pulverizan el material a medida que avanza la perforación”, cuenta Esteban Aste, gerente de Operaciones de Tromax.

Estos equipos tienen rendimientos promedio de 18 metros lineales/hora, lo que se traduce a unos 2.000 ml/mes, considerando 180 horas de trabajo mensual y una utilización efectiva del 70 por ciento.

Asimismo, están diseñados para efectuar perforaciones en roca de distintas características de dureza, abrasividad, homogeneidad, entre otras. Para tal efecto, sobre orugas, se ha montado el motor, la cabina de mandos y la torre de perforación la que lleva a su vez montada la perforadora en sí y un cambiador de barras tipo carrusel. La perforadora es una máquina que trabaja con el sistema de roto percusión además de empuje “pull down”. Las barras son las que van penetrando en los pozos gracias a que la primera de ellas lleva una broca (bit) del diámetro del pozo que se desea perforar. A medida que el pozo se hace más profundo se van conectando más barras entre sí. El largo de barra que utilizan las perforadoras es típicamente de 3,66 metros. Correctamente controlado por el operador, el agujero va tomando forma con la barra girando, percutando y también soplando aire comprimido a través de un agujero central que tiene la barra,  con el propósito de ir expulsando el material molido (detritus) para dejar la excavación libre de residuos y con la longitud estipulada. Este sistema o tecnología de perforación se denomina “top-hammer”.

En la industria de la construcción también se han utilizado, principalmente en la actividad de fortificación. Sus rendimientos de perforación y posibilidad de ser adaptados para diámetros menores (38 a 64 mm) permite utilizarlos en la instalación de pernos de anclaje, los cuales se usan para fortificar taludes y estructuras. Típicamente, los pernos van acompañados de mallas y hormigón proyectado (shotcrete).

Otro equipo, es el modelo CT20 con Rod Handler que cuenta con un brazo automatizado, el cual permite mayor seguridad a la hora de realizar los trabajos de perforación y sondaje. Este equipo que puede alcanzar una profundidad de 2.800 metros, se caracteriza por trabajar a través de perforación  de testigo o de núcleo, “con los cuales se puede obtener una mayor representatividad de los materiales atravesados”, cuentan desde Mineral Drilling.

En cuanto a que si se puede utilizar para la industria de la construcción, la empresa señala que se podría utilizar para e el estudio de suelos,  construcción de carreteras, puentes y edificios.

Equipos subterráneos

El equipo minero Boomer 282 con perforadora COP 1838 HD y una cabina presurizada, se utiliza principalmente en excavación de galerías de avance de túneles. El equipo de 1,95 metros d ancho  y de 2,3 metros de altura, tiene una capacidad de perforación de 33 a 76 mm, impacto excavación 18 kilovatio

Asimismo, esta máquina posee un equipo periférico que está diseñado para realizar forado en túneles y minas; equipado con diversos accesorios los que le permiten la instalación de un tipo específico de perno de roca.

El equipo posee dos brazos en donde se puede montar un martillo de perforación, los que funcionan a rotopercusión, es decir, la barrena gira continuamente ejerciendo simultáneamente un impacto sobre el fondo del taladro.

Para la óptima y segura operación del equipo, la empresa Antolín Cisternas recomienda que “siempre se debe utilizar cinturón de seguridad, EPP. Asimismo, revisar las señales de advertencia que posee el equipo previa operación”. A esto agregan que, “la máquina solo debe ser operado por personal con certificación de operador y finalmente es importante considerar la toxicidad de las emisiones del motor por lo que es indispensable una buena ventilación”.

Por otro lado, está la serie Simba de Atlas Copco, que cuenta con equipos de perforación radial para galerías medianas en distintos rangos de diámetros de excavación dependiendo del modelo. Estos sistemas están equipados con martillo en cabeza y Rig Control System (control computarizado), el cual ofrece distintos niveles de automatización, consiguiendo así una solución de precisión para la perforación de barrenos largos. A modo de ejemplo de esta serie, es el equipo M4 C-ITH de perforación de barrenos largos para galerías pequeñas a medianas en el rango de diámetros de perforación de 98 a 178 milímetros.  Puede perforar barrenos paralelos con un espaciado de 1,5 metros en las paredes laterales y hasta 3 metros en perforación ascendente y descendente.

Equipos y sistemas de perforación que han hecho posible que la industria minera siga creciendo y siendo el mayor ingreso económico de Chile.

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Revista Construcción Minera es la nueva publicación técnica de la Corporación de Desarrollo Tecnológico (CDT) de la Cámara Chilena de la Co nstrucción (CChC), que además cuenta con el apoyo del Comité de Túneles y Espacios Subterráneos de Chile (CTES). Su enfoque consiste en el análisis de proyectos de construcción para la minería además de difundir nuevos productos, materiales, servicios, soluciones y sistemas constructivos orientados a este subsector.construcción