Fundamentos de Geomecánica y Procesos de Perforación en Explotación Minera

Tipos de Estructuras Geológicas y Discontinuidades

En el estudio de la **geología estructural**, las discontinuidades son elementos clave que afectan la estabilidad y el comportamiento del macizo rocoso. Se clasifican de la siguiente manera:

• Planos de Estratificación: Definen la división de las rocas sedimentarias en estratos. Es fundamental distinguir los tipos de metamorfismo o el proceso de deposición, así como la cohesión entre estratos y su resistencia a la tracción o flexión.
• Pliegues: Resultan de la aplicación de fuerzas tectónicas posteriores a la deposición, generando deformaciones en los estratos. Se asocian a conjuntos (sets) de discontinuidades.
• Fallas
• Zonas de Cizalla
• Diques: Son intrusiones largas y angostas, generalmente verticales, con caras paralelas. Están compuestas de roca ígnea de grano fino, con espesores que varían de centímetros a metros. Pueden facilitar el flujo de agua y se asocian a fenómenos de estallido de roca.
• Fracturas
• Venas o Vetillas: Representan cemento depositado en fracturas, pudiendo ser de origen ígneo o sedimentario. Tienen una gran influencia en la hundibilidad (capacidad de hundimiento) y pueden ser más débiles o más resistentes que la roca huésped.

Propiedades de las Discontinuidades

Las propiedades esenciales para su caracterización son:

• Orientación: Incluye el buzamiento (manteo), la inclinación y la dirección de inclinación.
• Espaciamiento
• Persistencia
• Rugosidad
• Apertura
• Relleno

Procesos Fundamentales en la Explotación de Minas

La explotación de minas se estructura fundamentalmente en dos etapas:

1. ARRANQUE: Comprende la perforación necesaria para la posterior colocación de explosivos y la tronadura.
2. MANEJO de material.

Perforación

La perforación consiste en crear un hueco cilíndrico en la roca mediante la aplicación de energía a través de diversos métodos mecánicos.

Métodos de Perforación

Los métodos se clasifican según la forma de aplicación de energía:

• Mecánicos
• Térmicos
• Hidráulicos
• Ondas (sonoras o luminosas)

Objetivos de la Perforación

• Exploración y reconocimiento de yacimientos o depósitos minerales (determinación de cantidad y calidad).
• Estudios geotécnicos (evaluación de propiedades de la roca).
• Inserción y detonación de cargas explosivas con fines de fragmentación.
• Colocación de elementos de refuerzo.

Sistemas Mecánicos de Perforación

Percusión

En este sistema, la roca es perforada mediante la herramienta impulsada por impactos sucesivos de alta frecuencia y gran energía, combinados con una rotación entre cada golpe. La rotación, en este contexto, no es el factor principal para el fracturamiento de la roca.

Componentes del Sistema de Percusión

• Máquina Perforadora: Genera la fuerza de penetración, transformando la energía de alimentación en energía mecánica de impacto.
• Barra o Columna de Barras: Transmite la energía de impacto desde la máquina perforadora hacia el macizo rocoso.
• Herramienta de Perforación: Es el componente final que aplica la energía a la roca, comúnmente denominada Broca o Bit.

Sistemas Neumáticos

Su fuente de energía es el aire comprimido para accionar la máquina perforadora. Según el acoplamiento de los componentes, se distinguen dos sistemas principales:

Sistema Convencional (Top Hammer)

Los componentes se acoplan en la siguiente secuencia: Máquina perforadora, columna de barras y herramienta. La energía se transmite a través de la barra y se transfiere mediante el bit. Se observa que a mayor longitud de barras, menor es la energía transmitida.

• Maquinaria Asociada: Wagon drill (perforación vertical) y track drills (perforación inclinada).
• Partes de la Máquina Perforadora: Mecanismo de percusión, dispositivo de distribución del aire, mecanismo de rotación, mecanismo de empuje y avance, dispositivo de barrido del detritus y dispositivo de lubricación.
• Lubricación: Se realiza mediante la pulverización de aceite en el flujo de aire comprimido, idealmente a no más de 3 metros de la perforadora.

Sistema DTH (Down The Hole)

Los componentes se acoplan como: Unidad de rotación, columna de barras, máquina perforadora (o martillo) y herramienta. El martillo se sitúa en el fondo de la perforación, por lo que su eficiencia es independiente de la longitud de las barras.

• Maquinaria Asociada:
  • Wagon drill: Diámetro de perforación de 105 a 125 mm, longitud de tiros hasta 40 m.
  • Track drill: Diámetro de perforación de 105 a 165 mm, longitud de tiros hasta 80 m.

Sistemas Hidráulicos

Su fuente de energía es un fluido hidráulico (aceite a presión) utilizado para accionar la máquina perforadora y regular el pistón. Su modalidad funcional es exclusivamente Convencional o Top Hammer.

Rotoperusión

A estos sistemas se les denomina ROTOPERCUSIÓN porque el efecto de impacto es el predominante. El torque de rotación es más enérgico, contribuyendo significativamente al proceso de ruptura y penetración de la roca.