Raise Borer y Blind Hole: "Tecnologías Seguras para la Excavación de Chimeneas y Piques de Traspaso"

Introducción:

La necesidad de ir incorporando técnicas de excavación de chimeneas y piques mineros más seguros y de mayor productividad ha privilegiado, en los últimos años, en nuestro país, la utilización de las tecnologías Raise Borer y Blind Hole en las diferentes compañías mineras del país.

La tecnología Raise Borer llega a Chile en los años 70 con la incorporación de un equipo Raise Borer en Mina El Salvador el cual excava diversas chimeneas para esa División de Codelco y presta servicios esporádicos a faenas mineras en Copiapó.
Posteriormente en los años 80 Mina El Teniente, incorpora otro equipo a sus operaciones realizando excavaciones de chimeneas en 1,80 mts. de diámetro.

Como se puede apreciar los intentos de incorporar la tecnología a las operaciones mineras y civiles, en nuestro país, no son muy generosos en las décadas pasadas, hasta que el año 1994, la empresa Kala S.A. del Grupo Master Drilling International, de Sudáfrica trae a Chile su primer equipo Raise Borer el cual puede excavar chimeneas y piques en diámetros que van de 1,2 a 3,5 metros, y en longitudes hasta 500 metros con inclinaciones de hasta 40°.

A la fecha cuenta con 12 equipos Raise Borer operando en Chile, Perú y Brasil.

Adicionalmente, entre los años 1997 y 1998, Kala S.A. trae a Chile tres equipos con tecnología Blind Hole para excavaciones de 1,5 y 0,7 metros de diámetro, iniciando en mina El Teniente operaciones con altos niveles de seguridad en zonas donde el fenómeno de explosiones de roca, amenazaba frecuentemente con accidentes graves al personal que utilizaba los métodos manuales de excavación.

Hoy ambos métodos están consolidados en nuestro país, desplazando a otras tecnologías como la construcción de chimeneas con Jaula Trepadora Alimak o Vertical Crater Retreat (VCR) principalmente por la seguridad y productividad en las operaciones.


1.- Método Raise Borer.

Consiste principalmente en la utilización de una máquina electrohidráulica en la cual la rotación se logra a través de un motor eléctrico y el empuje del equipo se realiza a través de bombas hidráulicas que accionan cilindros hidráulicos.

Básicamente la operación consiste en perforar, descendiendo, un tiro piloto desde una superficie superior, donde se instala el equipo, hasta un nivel inferior.
Posteriormente se conecta en el nivel inferior el escariador el cual actúa en ascenso, excavando por corte y cizalle, la chimenea, al diámetro deseado.

Dependiendo de las características del equipo el motor eléctrico puede ser de 150 HP a 500 HP, este rango de potencias irá directamente en relación con el diámetro final de escariado y la longitud del pique o chimenea.

En este método de excavación de chimeneas se necesitará contar con dos superficies de trabajo: Al inicio de la excavación, en la parte superior y al final de la excavación en la parte inferior.

Es decir el método será aplicable para excavaciones en interior de la mina entre 2dosgalería o desde superficie a una galería ubicada al interior de la mina.

1.1. Perforación de un tiro piloto

Realizada en forma descendente, vertical o inclinada, utilizando como herramienta de corte un tricono de rodamientos sellados.

El avance de la perforación se logra, agregando barras a la columna de perforación, la cual se estabiliza con barras estabilizadoras de piloto.

El detritus producto de la perforación es barrido con agua a presión impulsada por bombas de 37 a 50 KW de potencia, extrayéndolo por el espacio anular que queda entre la pared del pozo y la columna de barras de perforación.

Una altura de salida del flujo de agua, con detritus, o " bailing", de 10 a 12 cms., medida de la salida del pozo, nos indicará un buen barrido. Bajo ese valor será necesario revisar posibles inconveniente como: pérdidas de agua por el fondo, falta de volumen de agua para barrer o aumento de densidad del material a extraer.
En todos esos casos será necesario agregar aditivos químicos que nos ayuden con la extracción.

Normalmente junto al equipo será necesario tener dos piscinas de unos 15 m3 cada una para almacenamiento y recirculación de agua utilizada en el barrido de los detritus.

En caso de tener un tipo de roca muy disgregable, en que el barrido con agua no sea adecuado, será necesario utilizar aire comprimido a alta presión para esta operación.
Habitualmente se utiliza para perforaciones de unos 200 metros de longitud aire comprimido a razón de 900 a 1200 CFM con 200 a 300 PSI.

La deflexión o desviación del tiro piloto dependerá de la pericia de operación y de la calidad del macizo rocoso a perforar. La presencia de diques, fallas o discontinuidades en general, tenderá a provocar mayores desviaciones.

1.2 Escariado o ensanchamiento del tiro piloto.

Una vez perforado el tiro piloto y después de retirado el tricono, se procede a conectar el cabezal o escariador provisto con cortadores, en la galería ubicada en el interior de la mina, donde finalizó la perforación piloto.

El escariador avanza en ascenso, excavando la roca por corte y cizalle, al diámetro final de la chimenea.

Normalmente la presión de empuje en la etapa de escariado es de unas 5 veces mayor a la etapa de perforación piloto.

Para retirar el escariador al final de la excavación existen 2 alternativas.

· Bajar la columna de barras, desconectar y retirar el escariador por el fondo de la chimenea o pique, a través de la galería inferior. En este caso será necesario dejar un puente de roca, no excavado, en la parte superior de 2 a 3 metros dependiendo del diámetro final de excavación y la calidad geomecánica de la roca excavada.

· Excavar la chimenea completa, retirando el escariador por la parte superior de la excavación. Normalmente es posible utilizar esta alternativa cuando el inicio del pique o chimenea está en la superficie.
Para realizar está operación se requiere montar el equipo Raise Borer en vigas metálicas que atraviesen la excavación circular abierta en superficie, sostener el escariador desconectado de la columna mediante una grúa, retiro del equipo, para finalizar con el retiro del escariador.



1.3 Relación entre el diámetro de perforación piloto y diámetro de escariado

Existirá una relación entre los diámetros de perforación que será determinante para la elección del material de perforación, en la excavación.

En la práctica se ha determinado que hasta 2,5 metros de diámetro final de excavación, utilizar un diámetro de perforación del piloto de 12 ¼ pulgadas es adecuado.

Para diámetros finales de excavación de 2,7 mts. a 3,5 mts. se utiliza perforación con tricono de 13 ¾" de diámetro.

Sobre 3,5 mts. de diámetro final de excavación y hasta 6,0 mts. de diámetro se utiliza normalmente, perforación con tricono de 15".

En la tabla a continuación se indica los diámetros de chimeneas más frecuentes y los diámetros de perforación piloto utilizados.

Tabla N° 1: Relaciones de diámetros de trabajo.
Diámetro de chimenea (mt.)
Diámetro perforación piloto (plg)
1,50
12 ¼
1,80
12 ¼
2,10
12 ¼
2,50
12 ¼
2,70
13 ¾
3,00
13 ¾
3,50
13 ¾
4,00
15
4,50
15
5,00
15
6,00
15



1.4. Descripción de un Equipo Raise Borer.

Los siguientes son los componentes principales que forman un equipo Raise Borer

· Motor Eléctrico

Tiene como misión dar la rotación a la columna de perforación en las 2 etapas : perforación piloto y escariado.

En la etapa de perforación piloto la columna rota a una velocidad de 30 RPM y en la etapa de escariado a 8 RPM.

Normalmente en potencias de 150 HP a 500 HP, 750 RPM y 550 o 380 Volt, dependiendo del tipo de equipo.

· Conjunto de Reductores

Conjunto de 3 o 4 transmisiones en base a engranajes y piñones planetarios que reducen las velocidades de rotación a los valores señalados anteriormente, según la operación que se esté realizando.

· Sistema de Empuje electrohidráulico.

Conjunto de bombas hidráulicas y electroválvulas de alta presión, alrededor de 3000 PSI, que entrega la presión de trabajo a los cilindros hidráulicos para el empuje en las dos etapas de la operación.

La presión necesaria para la operación dependerá de: longitud de la columna suspendida, calidad geomecánica de la roca a excavar, calidad estructural de la roca y diámetro final de la excavación.

En general podemos indicar los siguientes rangos de presión de trabajo:

Perforación Piloto : 0 a 3 megapascales

Escariado : 4 a 20 megapascales
· Sistema de Sujeción de la Columna de Barras

Corresponden a componentes mecánicos, tratados térmicamente que tienen como misión sujetar la columna en las 2 etapas de la operación, transmitiendo la energía de empuje y rotación a las herramientas de corte.

· Bases y Cuerpo Principal del Equipo

Componentes fabricados en fierro fundido donde se montan los elementos anteriormente señalados. El conjunto completo es montado en la base de concreto.

· Conjunto Eléctrico

Sistema de componentes eléctricos compuestos por transformadores, sistemas de partidas suaves, "soft starter", limitador de torque y sistemas de seguridad que resguardan la rotura o daño de la columna extendida en situaciones de partidas y detenciones de rotación en cualquiera de las etapas.

· Columna de perforación.

Formada básicamente por barras, estabilizadores de piloto y de escariado, cross over, stem bar y barra de partida.
La adecuada combinación de este material, permite una operación eficiente y segura.

Habitualmente una barra de 11 1/4" de diámetro y 1,50 mt. de longitud tiene un peso de 420 kgs.

Una barra similar a la anterior pero de 10" de diámetro pesa 260 kgs.


· Escariador o Cabezal.

Estructura metálica, asimétrica, donde van ubicados los cortadores que dan el área de corte final de excavación.

Normalmente construido en aceros especiales, conectada a la barra stem, trabaja por empuje y rotación en forma ascendente, contra el macizo rocoso provocando su ruptura por corte cizalle.

El número y disposición de los cortadores definirá el área final de excavación

En la tabla siguiente se indica el número de cortadores según el tamaño de escariadores más comunes

Tabla N° 2 : N° de cortadores según diámetro de escariador.
Diámetro Final de Escariado (mt)
Número de Cortadores (un)
1,5
8
1,8
10
2,1
12
2,5
14
2,7
14
3,0
16
3,5
22
4,0
26
4,5
28

Las cantidades de cortadores pueden variar según el modelo de escariador se adopte.

1.5 Estación de Trabajo.

La Estación de Trabajo podrá estar ubicada en superficie o interior de la mina.

Para estaciones en superficie se requiere una plataforma de unos 100 m2 de superficie donde se ubicará la losa de concreto donde se anclará el equipo Raise Borer.

Los diferentes modelos de equipo Raise Borer definen alturas mínimas de operación y área de trabajo en interior mina.

A continuación se entrega las dimensiones de estaciones respecto de diferentes modelos de equipos.

Tabla N° 3 : Estaciones de Trabajo según modelo de equipo.
Marca Modelo
Altura (mt)
Area (mt)
Master Drilling RD-3-250
6,0
3 x 3
Robbins 73-R
7,5
3 x 3
Robbins 71-R
6,0
3 x 3
Robbins 61-R
5,0
3 x 3
Robbins 41-R
4,5
3 x 3
Robbins 43-R
4,5
3 x 3
Robbins 83-R
7,5
3 x 3

La base de apoyo del equipo debe ser construida en un hormigón simple tipo H-30 y debe asegurarse la perfecta adherencia del concreto con el piso de roca.


1.6 Rendimientos de Excavación.

El rendimiento en la excavación de chimeneas con equipos Raise Borer es variable y dependerá fundamentalmente de la calidad geomecánica de la roca, la profundidad del pique o chimenea y por supuesto del diámetro final de excavación.

Por ejemplo faenas como la que opera Minera Maipo en Alhue, el yacimiento tiene zonas con alta resistencia a la compresión uniaxial alrededor de 300 a 400 Mpa, en la cual el rendimiento de excavación a diámetro final de 1,5 mt., aplicando altas presiones de empuje, no llegaba a 4 mts por turno, en turnos de 8 horas, con penetraciones de 3 cm. cada 6 minutos.

En cambio excavando a diámetro final de 3,0 mt. en zonas de calizas en Minera Punta del Cobre, donde la resistencia a la compresión uniaxila de la roca llegaba a 160 megapascales, se logran hasta 8 mts por turno con penetraciones de hasta 6 cms. cada 6 minutos.

En general podemos indicar los siguientes rendimientos netos para rocas competentes con una resistencia a la compresión uniaxial de hasta 180 Mpa.

Perforación Piloto 12 ¼" : 12 a 20 mts. por día
Perforación Piloto 13 ¾" : 10 a 15 mts por día

Escariado a 1,5 mt : 12 a 20 mts. por día
Escariado a 2,5 mt : 8 a 14 mts. por día
Escariado a 3,0 mt : 6 a 10 mts. por día
Escariado a 3,5 mt : 4 a 8 mts. por día

Estos rendimientos son netos, consideran una operación de 16 horas por día y son producto de la experiencia en excavaciones en diferentes faenas de Chile.


1.7. Control de Calidad

Las operaciones con equipos Raise Borer requieren establecer estándares y procedimientos estrictos que permitan tener operaciones seguras y confiables.

Entre los mayores riesgos que se pueden mencionar es la rotura de la columna en alguna de las etapas con la consiguiente caída de las barras o escariador al nivel inferior.

Las actividades principales, entre otras, que es necesario realizar antes en este tipo de operaciones son:

· Detección de fisuras en el material de perforación mediante test de ultrasonido, líquidos penetrantes y partículas magnéticas.
· Detección de fisuras en componentes de sujeción y sistemas de transmisión con los mismos métodos indicados anteriormente.
· Chequeo de horizontabilidad en superficie del escariador, para asegurar que todos los cortadores realicen el corte a la misma altura.
· Alineamiento de cortadores en el escariador.
· Revisión del estado de los rodamientos del tricono antes de iniciar la perforación.
· Verificar que los sistemas de seguridad del equipo como el soft starter y el limitador de torque estén operando en óptimas condiciones.
· Confección de Procedimientos de Trabajo para cada una de las actividades operativas.
· Verificar que la base de apoyo del equipo esté construida bajo estrictos estándares.
· Instrucción y Capacitación permanente del personal de operaciones.
· Buena práctica operacional.

1.8 Aplicaciones del Método.

El método es aplicable con gran éxito en las siguientes actividades mineras:

· Chimeneas de Ventilación:

Por la calidad de la excavación, al dejar paredes lisas, se disminuye notablemente
la pérdida de carga, disminuyendo la sección de la labor de ventilación que permita pasar el mismo flujo de aire, respecto de una labor excavada con explosivos.

· Chimeneas de Traspaso de Mineral:

Al tener paredes lisas aumenta el deslizamiento del material al pasar por la chimenea, aumentando la eficiencia de traspaso y disminuyendo las posibilidades de atascamiento.

· Chimeneas de Cara Libre:

Una buena alternativa para la construcción de chimeneas de cara libre por la rapidez y exactitud de la excavación que favorece la eficiencia del diagrama de disparo de producción.

· Chimeneas de Servicio y Acceso

Por su terminación y en diámetros pequeños, son una excelente alternativa para el paso a diferentes niveles de servicios como agua, aire comprimido, drenajes y cables de energía eléctrica.
Como acceso de personal son más seguras por su mayor estabilidad de la pared de roca.

1.9 Bondades del Método

· Método altamente seguro para el personal, ya que todo el comando de la excavación se realiza a través de un panel de control fuera de la línea de caída del material.
· El personal no está en contacto con el frente a excavar.
· No hay riesgos por uso de explosivos.
· Rapidez y productividad. Los rendimientos que se pueden alcanzar no tienen comparación con lo de otros métodos de excavaciones de chimeneas.
· Método no contaminante por gases de explosivos por lo que no se requiere grandes volúmenes de aire fresco en el área de trabajo.
· Gran autonomía. Se pueden excavar chimeneas o piques de grandes longitudes.- Ej: Pique de Ventilación en Minera Punta del Cobre con 381 mts de longitud, vertical y 3,0 metros de diámetro, finalizado en 112 días de operaciones. Este es el pique de mayor longitud excavado en Chile con este método.


2.- Metodología Blind Hole.

2.1 Descripción del Método.

Consiste en la utilización de una máquina electrohidráulica para las excavación de chimeneas en forma ascendente.

En esta metodología el equipo se instala en el nivel inferior y la operación consiste en perforar el tiro guía 60 centímetros adelantado al escariador, que va excavando a sección completa, posteriormente, en forma solidaria.

El material excavado cae por gravedad al nivel de la máquina y será guiado por un colector para prevenir riesgos.

El empuje se obtiene de los sistemas hidráulicos de bombas de alta presión y la rotación de un motor eléctrico de 250 HP, para el caso del equipo Robbins 52-R, que va con la transmisión inmediatamente bajo el escariador.

En el caso del equipo Master Drilling RD-2000, se utilizan motores hidráulicos para el empuje y rotación.

Para alcanzar la altura de excavación se adicionan en el cuerpo de la máquina, a nivel de piso barras especiales, estabilizadas, que permiten ir avanzando en altura con el desarrollo de la chimenea.

La autonomía del método es de hasta 100 metros de altura.

Los equipos disponibles en Chile son para diámetros de 0,7 y 1,5 mts.

2.2 Estación de Trabajo

Se ubica en la galería base y sus dimensiones serán de acuerdo al tipo de equipo.

Equipo RD 2000 para 0,7 mt de diámetro

Altura de Operación: 4,2 mt
Base : 3 x 3 mt.

Equipo Robbins 52-R para 1,5 mt

Altura de Operación : 6,2 mts
Base : 3 x 3 mts

La base de concreto será en hormigón simple tipo H-25, debiéndose asegurar la perfecta adherencia a la roca del piso.

2.3 Rendimientos

Esta tecnología ha funcionado con singular éxito en la División El Teniente de Codelco disminuyendo notoriamente los riesgos de excavación de chimeneas ascendentes, por caída y explosión de rocas.

Los rendimientos netos alcanzados son:

Equipo RD-2000 : 6,0 mts por día

Equipo 52-R : 7,3 mts por día

En ambos casos se ha considerado una operación de 16 horas por día.


2.4 Control de Calidad

· Detección de Fisuras en componentes y material de perforación utilizando técnicas de ultrasonido, líquidos penetrantes y partículas magnéticas
· Diseño de sistemas de colección de la roca excavada y verificación de su correcto funcionamiento
· Instrucción y Capacitación permanente al personal de operación
· Operaciones según estándares y procedimientos preestablecidos
· Buena práctica operacional


2.5 Aplicaciones del Método

· Chimeneas Pilotos Zanjas
Excavadas en los diferentes proyectos en Mina El Teniente en 0,7 mts. diámetro.

· Pilotos de Drenaje o Servicios
Excavados en 0,7 mts de diámetro, en forma ascendente, y con la finalidad de traspasar servicios como aire o cables de energía eléctrica.

· Chimeneas de Traspaso Intermedio.
Excavadas en 1,5 mt. de diámetro y que permiten el traspaso de mineral de un nivel a otro en distancias cortas.

· Chimeneas para Cara Libre o Slot.

Excavadas en 1,5 mt. de diámetro y actúan como cara libre para la excavación del nivel de hundimiento.

· Construcción de Sistemas de Buzones

Construidos en Mina El Teniente y que consisten en dos chimeneas en Y, desarrolladas desde la base, que se utilizan como sistemas de traspaso y carga de material. Corresponden a los llamados Play-Feeder.

En general este método ha sido aplicado con mucho éxito en los diferentes proyectos en Mina El Teniente, por su alta productividad y seguridad en las operaciones.

2.6 Bondades del Método

· Método altamente seguro para el personal de operaciones ya que todo el manejo de la excavación se realiza a través de un panel de control fuera de la línea de caída de la roca.
· El personal no está en contacto con el frente a excavar por lo que ante cualquier evento que se produzca en el macizo rocoso.
· No hay riesgos por uso de explosivos
· Rapidez y productividad. Los rendimientos que se alcanzan no son comparables con otros métodos tradicionales de construcción de chimeneas.
· Método no contaminante por gases de explosivos.
· Excelente calidad de terminación de las chimeneas. Se obtienen paredes lisas.

3.- Comentarios Finales.

· La incorporación de sistemas mecanizados en la excavación de chimeneas ya sea utilizando las técnicas Blind Hole o Raise Borer contribuyen a un trabajo seguro para el personal, equipos y materiales especialmente en aquellos macizos rocosos de mala calidad geomecánica.

· La productividad que se pude lograr con estos métodos es significativamente alta, y no son comparables con los métodos tradicionales de construcción de chimeneas con utilización de explosivos.

· La calidad de terminación de las excavaciones son perfectas con lo cual los hace muy atractivos para los sistemas de ventilación, por la reducción de la pérdida de carga y la consiguiente disminución de la potencia necesaria en los sistemas de ventilación.

· De igual forma, la calidad de terminación de las paredes, contribuye a tener piques de traspaso más fluidos, disminuyendo riesgos por atascamiento de la roca.

· La incorporación del método Raise Borer en la excavación de chimeneas slot, o de cara libre, contribuye a contar con chimeneas más regulares, produciendo un mayor rendimiento en las tronaduras de producción o apertura de caserones mineros.

· El entrenamiento y la capacitación del personal estos métodos es fundamental para el éxito de las operaciones.

· Raise Borer y Blinde Hole son tecnologías limpias, no contaminantes al basar su operación en técnicas de corte y cizalle sin utilizar explosivos y la consiguiente producción de gases de tronadura.