Sistemas de Perforación y Caracterización Geomecánica de Macizos Rocosos

Tipos de Rocas y su Comportamiento en la Perforación

Rocas Ígneas

Las rocas ígneas se caracterizan por ser duras y resistentes. Entre ellas destacan:

• Granito: Es muy abrasivo debido a su alto contenido de cuarzo. Su alta resistencia provoca un mayor desgaste de las herramientas y una menor vida útil de la broca.
• Diorita: Se presenta como una roca menos abrasiva, pero mantiene niveles similares de resistencia.
• Basalto: Permite una perforación más uniforme.

Es importante considerar que las variaciones de textura en estas rocas generan cambios directos en la tasa de penetración.

Rocas Sedimentarias

Sus características principales son su naturaleza blanda, su variabilidad y su disposición en capas (estratificación). Estas condiciones pueden provocar desviaciones en los barrenos y sobre-roturas al momento de la tronadura.

• Caliza: Con una resistencia de 30–100 MPa, permite una perforación rápida con poco desgaste.
• Arenisca cuarzosa: Es muy abrasiva, lo que se traduce en un más desgaste y costo operativo. A más cuarzo, mayor es la abrasión y el desgaste.

La estratificación en este tipo de rocas es un factor crítico que deriva en desviaciones y sobre-roturas.

Rocas Metamórficas

Formadas bajo condiciones de presión y temperatura, estas rocas son anisotrópicas (sus propiedades varían según la dirección) debido a la foliación o bandeamiento.

• Esquisto micáceo: Presenta una alta resistencia de forma perpendicular a la foliación y una baja resistencia si es paralela; esto causa desviaciones y un RQD bajo (se fragmenta fácilmente).
• Mármol: Es más isotrópico y resistente (UCS 50–180 MPa). Generalmente es poco abrasivo y estable, aunque la presencia de vetas de cuarzo puede alterar el proceso de perforación.

Sistemas de Perforación

Top Hammer (Martillo en Cabeza)

En este sistema, el martillo que genera la energía de impacto se encuentra en la parte superior del varillaje. La energía se transmite a través de las barras hasta la broca situada en el fondo del barreno.

• Diámetros: Pequeños a medianos (48–127 mm).
• Profundidad máxima: Hasta 25 m.
• Ventajas:
  • Alta velocidad de penetración en rocas de dureza media a alta.
  • Equipos versátiles y de fácil maniobra.
• Desventajas:
  • Pérdida de energía al transmitirse por las barras.
  • Baja rectitud de los tiros cuando se supera una profundidad de 20–25 m.

Sistema DTH (Down The Hole - Martillo en Fondo)

El martillo neumático o hidráulico se ubica directamente sobre la broca, lo que permite que la energía de impacto se aplique con mínimas pérdidas.

• Aplicación: Diámetros medios a grandes (89–254 mm).
• Profundidad: Hasta 50 m o más.
• Ventajas:
  • Excelente rectitud de los barrenos, incluso en terrenos fracturados.
  • Mayor control en diámetros grandes.
  • Menor desgaste del varillaje.
• Desventajas:
  • Equipos más costosos y pesados.
  • Menor velocidad de penetración (ROP) en rocas blandas en comparación con el sistema Top Hammer.

Sistema Rotativo

Este método no utiliza impacto; en su lugar, tritura la roca por rodadura o corte, empleando brocas tricono o PDC (diamante policristalino).

• Aplicación: Diámetros grandes (200–450 mm).
• Profundidades: Mayores a 50 m.
• Ventajas:
  • Ideal para macizos masivos y bancos altos en minería a cielo abierto.
  • Permite la instalación de explosivos a granel en tiros de gran volumen.
• Desventajas:
  • Baja eficiencia en rocas muy duras o abrasivas.
  • Alto consumo de energía.
  • Requiere equipos grandes y costosos.

Perforación Diamantina

Utiliza una broca con diamantes industriales que corta un cilindro continuo de roca denominado testigo.

• Aplicación: Exploración y control geológico.
• Diámetros: Pequeños (NQ, HQ, PQ).
• Profundidades: Desde decenas hasta más de 1000 m.
• Ventajas:
  • Permite obtener información geológica detallada (mineralogía, leyes, RQD, estructuras).
  • Alta precisión en la orientación de los sondajes.
• Desventajas:
  • Baja velocidad de penetración (ROP) frente a sistemas como Top Hammer o DTH.
  • Alto costo por metro perforado.

Geología Estructural, Petrográfica y Parámetros de Laboratorio

Influencia de la Geología

El tipo de roca, su textura, el grado de fracturamiento y la orientación de las discontinuidades influyen directamente en:

• La estabilidad del taladro.
• La desviación de los barrenos.
• La evacuación de detritus (fragmentos de roca).

El RQD (Rock Quality Designation) es fundamental para medir la continuidad del macizo rocoso y predecir su comportamiento durante la perforación.

Parámetros de Laboratorio

• UCS (Resistencia a la compresión no confinada): Indica la dureza de la roca.
• BTS (Tracción indirecta): Complementa la UCS para evaluar la resistencia a la rotura.
• CAI (Índice de abrasividad): Permite predecir el desgaste de los útiles de perforación, tales como brocas, barras y martillos.
• RQD: Ayuda a inferir la continuidad del macizo y su influencia en la trayectoria del taladro.