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PERFURAÇÃO DA ROCHA
1.O OBJETIVO
A perfuração das rochas dentro do campo dos desmontes é a primeira operação que se realiza e tem como finalidade abrir uns furos, com a distribuição e geometria adequada dentro dos maciços para alojar as cargas de explosivos e acessórios iniciadores.
223O AC a 1740 AC fabricação de ferramentas e armas
535 AC a 522 AC os gregos construíram túneis para o abastecimento de água;
36 AC fabricação de ferramentas pelos romanos;
Idade Média (600 a 1500) surge na Europa escavações usando martelos e cunhas;
1838 e 1848 a Singer e Couch construíram nos Estados Unidos as primeiras perfuratrizes utilizando o vapor como fonte de energia;
1860 surge a perfuratriz a ar comprimido, e Nobel Utiliza pela primeira vez a nitroglicerina como explosivo;
1950 surge o bit de carboneto de tungstênio;
1980 surge as perfuratrizes hidráulicas.
DINÂMICA DA PERFURAÇÃO
QUANDO SE TRABALHA COM PERFURATRIZES PERCUSSIVO-ROTATIVAS, NORMALMENTE EXISTEM QUATRO SISTEMAS ENVOLVIDOS:
I - PERCUSSÃO: MECANISMO RESPONSÁVEL PELO FORNECIMENTO DE ENERGIA (ONDA DE CHOQUE), QUE SE TRANSMITE AO PUNHO HASTE BIT ROCHA, FRAGMENTANDO-A.
DINÂMICA DA PERFURAÇÃO (PERCUSSÃO)
IMPORTANTE:
Uma alta energia de percussão aumenta a velocidade de penetração, porém os aspectos negativos que poderão surgir na vida útil dos acessórios deverão ser analisados de tal forma a se obter uma operação econômica e segura.
DINÂMICA DA PERFURAÇÃO (AVANÇO)
II - AVANÇO:
MECANISMO RESPONSÁVEL PELO ESFORÇO SOBRE A COLUNA DE SECCIONADOS OU BROCA INTEGRAL; MANTENDO A COROA SEMPRE EM CONTATO COM A ROCHA DE MODO A SE APROVEITAR AO MÁXIMO A ENERGIA PERCUSSIVA.
A FORÇA DE AVANÇO É TRANSMITIDA MECANICAMENTE À PERFURATRIZ POR MEIO DE CORRENTE OU PARAFUSO.
DINÂMICA DA PERFURAÇÃO (AVANÇO)
O gráfico ao lado mostra que à medida em que se aumenta a pressão de avanço ocorre um incremento na velocidade de penetração, até um determinado ponto (ponto ótimo: função da rocha, do peso da coluna de perfuração e outros parâmetros) além do qual a velocidade diminui.
RELAÇÃO ENTRE BIT / ENERGIA PARA UMA ÓTIMA QUEBRA DA ROCHA
200
200
100
100
D (mm)
Rpm Dx
bxfxn
60
0
b distância adotada de 9 a 10 mmentre cada percussão da perfuratriz
f freqüência de percussão (Hz)
f = 50 Hz; D = 102 mm 90 rev/min
n velocidade de rotação
DINÂMICA DA PERFURAÇÃO (AVANÇO)
IMPORTANTE: BAIXA FORÇA DE AVANÇO OCASIONA Baixa transmissão de energia; Baixa taxa de penetração; A energia de onda de choque não se transmite
totalmente à rocha e reflete no aço sob a forma de tração, causando fadiga/quebra prematura;
Desacoplamento/aquecimento das luvas de acoplamento;
Maior desgaste nas roscas, punho e bucha de rotação; Ejetam pastilhas/botões.
DINÂMICA DA PERFURAÇÃO (AVANÇO)
ALTA FORÇA DE AVANÇO OCASIONA:
aumento do risco de trancamento do bit, especialmente em rochas brandas ou fraturadas;
menor estabilidade, com risco de desvio do furo;
reduzido índice de penetração, pois a rotação fica mais vagarosa.
DINÂMICA DA PERFURAÇÃO (ROTAÇÃO)
III - ROTAÇÃO POR PERCUSSÃO: MECANISMO QUE FAZ A COROA GIRAR ENTRE
IMPACTOS SUCESSIVOS, COLOCANDO-A NUMA NOVA POSIÇÃO DE ROCHA AINDA NÃO FRAGMENTADA.
ROTAÇÃO E TRITURAÇÃO: A FINALIDADE DA ROTAÇÃO E VIRAR O BIT DE
FORMA QUE O MESMO QUEBRE CONTINUAMENTE NOVOS PEDAÇOS DE ROCHA NO FUNDO DO FURO.
DINÂMICA DA PERFURAÇÃO (ROTAÇÃO)
ROTAÇÃO E CORTE
NESSE MÉTODO, OS CORTADORES QUEBRAM A ROCHA À MEDIDA QUE O BIT É GIRADO E PRESSIONADO CONTRA O FUNDO DO FURO.
DINÂMICA DA PERFURAÇÃO (ROTAÇÃO)
IMPORTANTE: BAIXA ROTAÇÃO OCASIONA: BAIXA VELOCIDADE DE PENETRAÇÃO. ALTA ROTAÇÃO OCASIONA: PERDA DE ENERGIA; DESGASTE LATERAL EXCESSIVO DA COROA. Observação: Recomenda-se diminuir a velocidade de
rotação à medida que se aumenta o diâmetro da coroa, pois velocidades periféricas elevadas acentuam sobremodo o desgaste periférico.
DINÂMICA DA PERFURAÇÃO (LIMPEZA)
III - LIMPEZA: SISTEMA QUE TEM POR FINALIDADE APRESENTAR À
COROA UMA NOVA SUPERFÍCIE DE ROCHA LIMPA ATRAVÉS DA REMOÇÃO CONTÍNUA, DO INTERIOR DO FURO, DA ROCHA FRAGMENTADA (CAVACOS).
NORMALMENTE, OS AGENTES DE LIMPEZA MAIS COMUNS SÃO:
- AR: Normalmente empregado em perfuração a céu aberto;
DINÂMICA DA PERFURAÇÃO (LIMPEZA)
- ÁGUA: Normalmente empregada em perfuração subterrânea ou em locais com restrições ambientais;
- ESPUMA: Normalmente empregada com o ar em rochas muito fraturadas/decompostas, facilitando a remoção dos fragmentos além de estabilizar as paredes do furo.
DINÂMICA DA PERFURAÇÃO (LIMPEZA)
IMPORTANTE: Baixa pressão/volume do agente de limpeza ocasiona: baixa taxa de penetração; maior risco de prender os acessórios; maior desgaste das coroas.
Observação: Quando utilizar limpeza a água, a pressão deve ser de 0,5 Kgf/cm2 a 1,0 kgf/cm2 inferior à pressão de ar, para evitar retorno e danos a perfuratriz.
APLICAÇÕES DA PERFURAÇÃO
Os tipos de trabalho, tanto em obras de superfície como subterrâneas, podem classificar-se nos seguintes: perfuração de banco, perfuração de produção, perfuração de chaminés (raises), perfuração de poços (shafts), perfuração de rochas com capeamento e reforço das rochas.
PERFURAÇÃO POR PERCUSSÃO
Também conhecido por perfuração por martelo, é o método mais comum de perfuração para a maioria das rochas, os martelos podem acionados a ar comprimido ou hidráulicos. Tanto o martelo de superfície como o de fundo (DTH - Down-The-Hole) são utilizados . Na trituração por impacto a rocha é partida em fragmentos, por meio de uma grande força que é aplicada sobre um botão ou pastilha de material duro.
ROTAÇÃO/TRITURAÇÃO
Foi inicialmente usada na perfuração de petróleo, porém, atualmente, é também usada em furos para detonação, perfuração de chaminés verticais de ventilação e abertura de túneis. Esse método é recomendado em rochas com resistência à compressão de até 5000 bar.
Quando perfuramos por este método, usando bits tricônicos, a energia é transmitida para o bit por um tubo, que gira e pressiona o bit contra a
rocha.
ROTAÇÃO/CORTE
Este método é usado principalmente em rochas brandas com resistência à compressão de até 1500 bar.
A perfuração por rotação necessita de uma forte capacidade de empuxo no bit e um mecanismo superior de rotação. A pressão aplicada e o torque rompem e moem a rocha. Neste método a energia é transmitida ao cortador pelo tubo de perfuração, que gira e pressiona o mesmo sobre a rocha. A área de corte da ferramenta exerce pressão sobre a rocha e as lascas são arrancadas.
ROTAÇÃO/CORTE (CONT.)
A relação entre a pressão necessária e a faixa de rotação, determinam a velocidade e a eficiência da perfuração:
a) a rocha branda requer menor pressão e rotação mais rápida;
b) a rocha dura necessita de alta pressão e rotação mais lenta.
A velocidade de rotação é de 120 rev/min para um furo de 110 mm e 300 rev/min para furos de 60 mm de diâmetro.
CARACTERÍSTICAS DOS FUROS
Os furos são geralmente caracterizados por quatro parâmetros: diâmetro, profundidade, retilinidade e estabilidade.
DIÂMETRO DOS FUROS
O diâmetro do furo depende da finalidade do mesmo. Em furos para detonações, há vários fatores que influem na escolha do diâmetro, por exemplo, o tamanho desejado dos fragmentos, após a detonação; tipo de explosivo a ser utilizado, vibração admissível do terreno durante a detonação etc.
RELAÇÃO ENTRE DIÂMETRO DO FURO E CUSTO
Diâmetro de perfuração
Custo
Custo por t desmontada
Custo por m perfurado
RELAÇÃO ENTRE UMA NOVA RBS E UMA NOVA DIMENSÃO DA MALHA
DimensãoNovaOriginalDimensãoxOriginalExplosivodoRBS
ExplosivoNovodoRBS
3/1
PROFUNDIDADE DOS FUROS
A profundidade do furo determina a escolha do equipamento de perfuração.
No caso de maiores profundidades (50 a 70 m ou mais) usa-se perfuração de fundo de furo, ao invés de martelo de superfície, já que o método de fundo de furo proporciona mais eficiência de transmissão energética e remoção dos cavacos de rocha a essa profundidade.
RETILINIDADE DOS FUROS
A retilinidade de uma perfuração varia, dependendo do tipo e natureza da rocha, do diâmetro e da profundidade do furo, do método e das condições do equipamento utilizado, da experiência do operador.
Na perfuração horizontal ou inclinada, o peso da coluna de perfuração pode concorrer para o desvio do furo. Ao perfurar furos profundos para detonação, o furo deve ser tão reto quanto possível para que os explosivos, sejam distribuídos corretamente, para se obter o resultado desejado.
RETILINIDADE DOS FUROS (cont.)
Um problema particular causado por um furo com desvio é a possibilidade de encontrar-se com um outro já perfurado, causando a detonação de
cargas por “simpatia”. A probabilidade do equipamento se prender é
grande e a detonação não pode ser executada adequadamente.
Além do desvio do furo propriamente dito, o alinhamento pode ser afetado pelo desalinhamento da lança e pelo cuidado durante o emboque do furo.
ESTABILIDADE DOS FUROS
Outra necessidade em perfuração é que o furo permaneça “aberto” enquanto estiver sendo utilizado para carregamento de explosivos. Em certas condições, por exemplo, quando a perfuração é em material “solto” ou rocha (que tendem a desmoronar e tapar o furo), trona-se essencial estabilizar-se o furo com tubos ou mangueiras de revestimentos.
PERFURAÇÃO INCLINADA X VERTICAL
Principais vantagens da perfuração inclinada melhor fragmentação;diminuição dos problemas de
repé devido ao melhor aproveitamento das ondas de choque na parte crítica do furo (linha de greide, pé da bancada);
maior lançamento; permite maior malha;
VANTAGENS DA PERFURAÇÃO INCLINADA (cont.)
permite redução da Razão de Carregamento que pode ser obtida pelo uso de explosivos de menor densidade;
maior estabilidade da face da bancada;menor ultra arranque.
PRINCIPAIS DESVANTAGENS DA PERFURAÇÃO INCLINADA
• menor produtividade da perfuratriz;• maior desgaste de brocas, hastes e
estabilizadores;• maior custo de perfuração;• maior comprimento de furo para uma
determinada altura da bancada;• maior risco de ultra-lançamentos dos
fragmentos rochosos.
MALHAS DE PERFURAÇÃO
A geometria das malhas de perfuração podem ser quadrada, retangular,
estagiada, triângulo equilátero ou malha alongada:
A
E
a) malha quadrada b) malha retangular
Malhas quadradas ou retangulares: devido a sua geometria é de fácil perfuração (menor
tempo de locomoção de furo a furo).
MALHAS DE PERFURAÇÃO (cont.)
c) malha estagiada (pé de galinha)
Malhas estagiadas: devido a geometria de furos alternados dificulta a perfuração (maior
tempo de locomoção furo a furo), porém possui melhor distribuição do explosivo no maciço
rochoso.
MALHAS DE PERFURAÇÃO (cont.)
Malha Triângulo Equilátero: são malhas estagiadas com a relação E/A: 1,15. São indicadas para rochas compactas e duras. Possuem ótima distribuição da energia do explosivo na área de influencia do furo, maximizando a fragmentação. O centro do triângulo equilátero, o ponto mais crítico para fragmentação, recebe igual influência dos três furos circundantes.
MALHAS DE PERFURAÇÃO (cont.)
Malhas alongadas: Conforme a relação E/A as malhas podem assumir várias configurações. As malhas alongadas possuem elevada relação E/A, geralmente acima de 1,75. São indicadas para rochas friáveis/macias aumentando o lançamento por possuir um menor afastamento.
CÁLCULO DOS COMPONENTES DA PERFURATRIZ
a) Número de furos por dia (Nf )
df
F NxHxExA
VAN
sendo:
VA = volume anual (m3);
A = afastamento (m);
E = espaçamento (m);
Hf = comprimento do furo (m).
Nd = número de dias trabalhados durante o ano.
CÁLCULO DOS COMPONENTES DA PERFURATRIZ (cont.)
b) Profundidade Total perfurado por ano (PT)
PT = Nf x Hf x Nd (m)
sendo:
Nf = número de furos por dia
Hf = comprimento do furo (m)
Nd = número de dias trabalhados durante o ano
CÁLCULO DOS COMPONENTES DA PERFURATRIZ (cont.)
c) Metros diários perfurados por uma perfuratriz (MP)
MP = NH x TP x DM x RMO x U
sendo:
NH = número de horas/dia trabalhado por uma perfuratriz;
TP = taxa de penetração (m/h);
DM = disponibilidade mecânica da perfuratriz (%);
RMO = rendimento da mão-de-obra (%);
U = utilização do equipamento (%).
CÁLCULO DOS COMPONENTES DA PERFURATRIZ (cont.)
d) Relação entre metros de haste e metro de furo (K)
KH C
Cf
2
sendo:
C = comprimento da haste;
Hf = profundidade do furo.
CÁLCULO DOS COMPONENTES DA PERFURATRIZ (cont.)
Exemplo
Uma mineração pretende produzir anualmente
1.000.000 m3 de hematita. Seu desmonte de rocha
apresenta as seguintes características:
- Malha de perfuração: Afastamento (A) = 2,5 m;
Espaçamento = 5,0 m; Altura do banco = 10 m;
Inclinação dos furos = 0 ; Diâmetro da perfuração = 4”
(102 mm)
CÁLCULO DOS COMPONENTES DA PERFURATRIZ (cont.)
Taxa de penetração: 40 m/h
- Disponibilidade mecânica do equipamento: 85%
- Rendimento da mão de obra: 80%
- Utilização do equipamento : 80%
- Dias de trabalho no ano: 365
- Horas trabalhadas por dia: 8 h
- Comprimento das hastes: 3 m.
CÁLCULO DOS COMPONENTES DA PERFURATRIZ (cont.)
A vida útil média dos componentes é a seguinte:
- bits : 500 m
- punho : 2.500 m
- haste e luvas : 1.500 m
Calcular o número de perfuratrizes necessárias para
executar a perfuração, e os componentes gastos
anualmente (hastes, luvas, punhos e bits).
CÁLCULO DOS COMPONENTES DA PERFURATRIZ (cont.)
S o l u ç ã o
a ) N ú m e r o d e f u r o s p o r d i a ( N f )
NV A
A x E x H x x x xFf
3 6 5
1 0 0 0 0 0 0
2 5 5 1 0 3 6 52 2
. .
,
CÁLCULO DOS COMPONENTES DA PERFURATRIZ (cont.)
b) Profundidade Total perfurado por ano (PT)
PT = Nf x Hf x Nd = 22 x 10 x 365 = 80.300 m
c) metros diários perfurados por uma perfuratriz (MP)
MP = NH x TP x DM x RMO x U = 8 x 40 x 0,85 x 0,8 x 0,8
= 174,08 m
CÁLCULO DOS COMPONENTES DA PERFURATRIZ (cont.)
d ) n ú m e r o d e p e r f u r a t r i z e s n e c e s s á r i a s ( N P )
N P
P
x M P xT
3 6 5
8 0 3 0 0
3 6 5 1 7 4 0 81 2 6
.
,,
Obs.: Matematicamente o cálculo aponta, aproximadamente, para a necessidade de duasperfuratrizes. Entretanto, a escolha correta será de uma só perfuratriz, pois bastaaumentarmos o número de horas trabalhadas por dia para obtermos a produção diáriadesejada. Outra possibilidade seria a de perfurar com uma maior taxa de penetração.
CÁLCULO DOS COMPONENTES DA PERFURATRIZ (cont.)
e ) R e la ç ã o e n t r e m e tr o s d e h a s te e m e tr o d e fu r o (K )
KH C
C xf
2
1 0 3
2 32 1 7,
f ) N ú m e r o d e h a s t e s ( N H ) e l u v a s ( N L )
N e NP x K
v i d a u t i l
xH L
T 8 0 3 0 0 2 1 7
1 5 0 01 1 6
. ,
CÁLCULO DOS COMPONENTES DA PERFURATRIZ (cont.)
g ) N ú m e ro d e p u n h o s (N P )
N
P
v id a u ti lPT
8 0 3 0 0
2 5 0 03 2
.
.
h ) N ú m e ro d e b its (N B )
N P
vid a u tilBT
8 0 3 0 0
5 0 01 6 1
.
CÁLCULO DO CUSTO TOTAL DA PERFURAÇÃO POR METRO
C u s t o T o t a l d a P e r f u r a ç ã o / m ( C T P )
U m a r e l a t i v a m e n t e s i m p l e s , m a s b a s t a n t e i n t e r e s s a n t e
a n á l i s e , f o i r e c e n t e m e n t e a p r e s e n t a d a p o r R o b e r t W .
T h o m a s , d a B a k e r H u g h e s M i n i n g T o o l s I n c . , q u e p o d e s e r
a s s i m e n u n c i a d a :
C T PA
M
D
V P
CÁLCULO DO CUSTO TOTAL DA PERFURAÇÃO POR METRO (CONT.)
sendo:
A = custo da ferramenta de perfuração (bits e
cortadores);
M = vida útil da ferramenta em metros;
D = custo horário da perfuratriz (custo de propriedade e
custo operativo);
VP = velocidade de penetração (m/h).
CÁLCULO DO CUSTO TOTAL DA PERFURAÇÃO POR METRO (CONT.)
O exemplo a seguir evidencia que a soma expedida na
aquisição de uma broca com uma maior velocidade de
penetração, aumenta os dividendos, pois o custo total de
perfuração será reduzido e a produção aumentará.
CÁLCULO DO CUSTO TOTAL DA PERFURAÇÃO POR METRO (CONT.)
Uma perfuratriz trabalha em uma mina de cobre a céu aberto,
com uma broca de diâmetro de 12¼” . Considerando os
seguintes dados:
Velocidade de penetração da broca normal: 25,0 m/h
Custo da broca normal: US$ 5.356
Velocidade de penetração da broca especial XP: 27,5 m/h
Custo da broca especial XP: US$ 6.169
Vida útil da broca: 3.000 m
CÁLCULO DO CUSTO TOTAL DA PERFURAÇÃO POR METRO (CONT.)
B roca norm a l:
CTPUS
m
US h
m hUS m
$ .
.
$ /
/$ , /
5 356
3 000
450
2519 785
B ro c a e s p e c ia l X P :
C T PU S
m
U S h
m hU S m
$ .
.
$ /
, /$ , /
6 1 6 9
3 0 0 0
4 5 0
2 7 51 8 4 2 0
Diferença de custo: US$ 1,365/m (6,9%)
CÁLCULO DO CUSTO TOTAL DA PERFURAÇÃO POR METRO (CONT.)
Velocidade de penetração da BROCA NORMAL = 25,0 m/h
Veloc. de penetração da BROCA ESPECIAL XP = 27,5 m/h
INCREMENTO DE PRODUTIVIDADE = 2,5 m/h (10%)