Métodos de explotación, ejecución de chimeneas

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Ejecución de chimeneas mediante sistema Alimak y
Raise Borer
Felipe Vilches Lagos
ProfesorBernardo Reyes
Métodos de explotación1s 2015

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Índice:
1. Introducción:
1.1 Tipos de chimeneas (pag. 3)
1.2 Métodos de ejecución( pag.3)
2. Método Alimak:
2.1 Descripcióndel método y sus partes (pag.4)
2.2 Secuencia operacional(pag.6-8)
2.3 Ventajas y Desventajas (pag.8)
2.4 Aplicaciones y Costos (pag.9)
3. Método Raise Borer:
3.1 Descripcióndel método y sus partes (pag.10-11)
3.2 Secuencia operacional(pag.12)
3.3 Ventajas y Desventajas (pag.14)
3.4 Aplicaciones (pag.14)

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Introducción:
Para hablar de los métodos para ejecutar una chimenea primero debemos saber
qué es una chimenea, una chimenea en minería es una labor vertical entre dos
galerías excavada en sentido ascendente. Sus dimensiones son reducidas y poseen
una inclinación superior a los 45 grados. Sus funciones pueden ser varias:
 Ventilación
 Transporte de material
 Acceso de servicios
 Evacuación de emergencia
 Constituir una labor de exploración de la mineralización encima de un nivel.
Tipos de chimeneas:
1) según su forma:
 Circulares
 Cuadradas
 Rectangulares
2) según su sección:
 Simple: sección de 4x4
 Doble: sección de 4x8
 Triple: sección de 4x12
3) Según su longitud:
 Cortas: hasta 50 m
 Largas: de 51 a 100 m
 De gran longitud: mayor a 100 m
Para ejecutar la chimenea los métodos típicamente se dividen en dos:
1. Método convencional de construcción: realizado con puntales de avance,
plataforma de madera y máquina perforadora stoper.
2. Método mecanizado de construcción: Los métodos de los que hablaremos
caen en esta categoría. Alimak y Raise Borer.

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Método de explotación mecanizado mediante jaula ALIMAK
La máquina Alimak es una plataforma/jaula que sube la chimenea por una
cremallera empernada a la pared y debido a su gran flexibilidad, economía y
velocidad se utiliza para la excavación de chimeneas y piques. Este equipo está
especialmente diseñado para la construcción de chimeneas desde 90° hasta 65°,
los cuales pueden ser con sistema neumático, eléctrico o diesel. En la minería
subterránea, actualmente la plataforma Alimak, se ha convertido en un equipo muy
usado, especialmente donde no existe ningún nivel de acceso superior (frente a la
jaula hora o raise boring)
Este método se emplea desde 1957 debido a sus características antes
mencionadas se ha convertido en uno de los más usados en el mundo. Existen dos
grandes empresas que fabrican estas plataformas ALIMAK, estas son ATLAS
COPCO Y SANVICK.
DESCRIPCION DE LAS PARTES.
Unidad propulsora: con piñones engranados a la cremallera de linterna del carril guía la
propulsión que en este caso es mediante accionamiento eléctrico. Un elemento importante
es el freno centrífugo que limita la velocidad de la plataforma trepadora en descenso por
gravedad.
Armazón: compuesto por conjunto de rodillos y dispositivos de seguridad que
automáticamente frena a la trepadora si la velocidad de descenso excede el límite
predeterminado de seguridad.
Plataforma de trabajo: permite a los trabajadores realizar el armado del carril, perforar,
cargar, emparejar.
Tambor de enrollamiento: es automática de manguera o cable que funciona cuando la
trepadora asciende o desciende.
Válvula múltiple: comprende al agua y aire que suministra estos servicios para las
perforadoras.
Bomba de alta presión: está compuesta por un sistema de pistones que es accionada por
una polea que bombea el agua cuando la presión disminuye o cuando la altura es mayor.
Trepadorde servicio:Siempre se debe tener operativo estesistemaque es de emergencia
y sobre todo para brindar apoyo al trepador principal.
Cabezalde perforación: es un sistemade almacenamiento de agua y aire de donde parte
para la conexión de agua y aire a la perforadora Stoker durante la perforación.
Cabezal de disparo: es un sistema de protección que se coloca al fiinal del carril con el
objetivo de protegerlo.

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Secuenciaoperacional:
La construcción de la chimenea mediante la plataforma trepadora Alimak, netamente
comprende: subida de la plataforma, perforación, descenso de la plataforma, voladura,
ventilación, los cuales pueden observarse en la figura siguiente. Sin embargo la limpieza es
también una etapa importante dentro de la construcción.
Trabajos previos: Excavación de la cámara que alojara al sistema ALIMAK.
Las cámaras se construirán sobre una galería, una servirá para el tránsito de
personal y la otra para la limpieza de la carga con el scoop.

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1. Perforación de la chimenea: Instalada la plataforma se da inicio con la
perforación de la chimenea mediante maquina stoper. En esta etapa se
evaluara la calidad de roca desde el punto de vista geo mecánico, para
realizar el sostenimiento puntual o sistemático con pernos helicoidales o
splits set.
2. Voladura: Los taladros perforados se cargaran con dinamita tanto en el
corte como en el resto de la columna. Como accesorio para la voladura se
empleara fanel de periodo corto y para el encendido de todos los taladros
cordón detonante. Para iniciar el cordón detonante y por razones de
seguridad, se utilizara fulminante eléctrico conectado a un cable cuya
longitud será igual al de la chimenea que se va excavando y encendido desde
la parte inferior en forma automática.
3. Descenso de la plataforma: Antes que se efectúe la voladura, la
plataforma Alimak debe bajarse solo por gravedad (puesto que la corriente
eléctrica ha sido cortada), para lo cual la velocidad está limitado por los frenos
centrífugo superior e inferior (velocidad de descenso de 18 m./min), además
del freno de mano y un freno de pie. También cuenta con el sistema de
seguridad GA-5 que es el paracaídas, algo similar a las leonas en las jaulas
de un pique. Como medida de seguridad, el operador antes de descender la
plataforma debe revisar todos los accesorios como: fijación, contracorredera
y reajuste del dispositivo de seguridad, piñones, correderas, juntas, frenos,
equipo telefónico. Durante el descenso revisar el carril guía y verificar que la
plataforma no se atore con el muro de roca.
4. Ventilación:Después de cada disparo, se ventilará la chimenea con aire
comprimido y agua, soltando desde la válvula múltiple y en la salida existe el
cabezal de disparo que tiene la función de expandir. El tiempo de ventilación
debe ser como mínimo de 20 minutos.
5. Limpieza:El material producto de la voladura de la chimenea se deposita
en la cámara de almacenamiento cuya fragmentación es variado y la limpieza
es efectuado mediante una maquina scoop.
6. Desmontaje: Concluida la ejecución de la chimenea, se realiza un
chequeo minucioso en lo que respecta a seguridad y se inicia la recuperación
de los carriles de la parte superior, todo en forma descendente y la integridad
de las partes es recuperable y se vuelve a utilizar en una próxima chimenea,
además se debe verificar algunas piezas que tengan cierto deterioro para su
reparación y darle de baja.

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Ventajas y Desventajas:
Ventajas:
 Se puede usar para chimeneas de pequeña a gran longitud y con cualquier
inclinación
 Es posible cambiar la inclinación de las chimeneas mediante el uso de
carriles curvos
 La preparación inicial del área de trabajo es muy reducida
 Se puede construir chimeneas con diferentes secciones cambiando las
plataformas siendo posible excavar secciones de 3 m² a 20 m²
 No necesita un nivel de acceso superior para su ejecución
Desventajas:
 Requiere de mano de obra especializada
 Al realizar el desmontaje ya no se pueden recuperar algunos de sus
componentes
 Cuando se ejecuta chimeneas de gran longitud se tiene problemas con los
servicios como caída de tensión, baja presión de agua y aire, etc.

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Aplicaciones:
 Chimeneas de ventilación:
 Chimeneas de traspaso de mineral:
 Chimeneas de cara libre:
 Chimeneas de servicio y acceso:
Costos: Esta imagen representa un ejemplo real de los costos de construcción de
una chimenea de las dimensiones indicadas a través del método Alimak

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Método de explotación mecanizado 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 dos galerías o desde superficie a una galería ubicada al
interior de la mina.
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.
En 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°.
Esta empresa a la fecha cuenta con 12 equipos Raise Borer operando en Chile,
Perú y Brasil.
Descripción de las partes:
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.

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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 geo mecánica 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, crossover, stembar 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

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SecuenciaOperacional:
1. Perforación de un tiro piloto: Realizada en forma descendente, vertical o
inclinada, utilizando como herramienta un corte 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
cm, medida de la salida del pozo, nos indicará un buen barrido. Bajo ese
valor será necesario revisar posibles inconvenientes 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.

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2. Escariado o ensanchamiento del tiro piloto: Una vez perforado el tiro
piloto y después 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.
Normalmente la presión de empuje en la tapa de escariado es de unas 5
veces mayor a la etapa de perforación piloto. Para retirar el escariador al
final de la excavación existen dos alternativas las cuales son:
1) 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.
2) 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 esta 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.
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 practica se ha determinado que hasta 2,5 metros de diámetro final de
excavación, utilizar un diámetro de perforación de piloto de 12 ¼ pulgadas
es adecuado.
En la tabla a continuación se indica los diámetros de chimeneas más
frecuentes y los diámetros de perforación piloto utilizados

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Ventajas y Desventajas:
Ventajas:
 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.
Desventajas:
 Necesita de un nivel superior para montar el equipo.
 Alto coste económico, inversión elevada, costo de excavación unitario
elevado.
 Poca flexibilidad en dimensiones y cambios de dirección no deseados.
 Dificultades en rocas de malas condiciones.
 Necesidad de personal especializado
Aplicaciones del método:
 Chimeneas de ventilación
 Chimeneas de traspaso de mineral
 Chimeneas de cara libre
 Chimeneas de servicio y acceso

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