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Introducción
El método de perforación con obtención de testigo es la herramienta más utilizada para la exploración minera, dado que es capaz de perforar en cualquier ángulo y obtener testigos de roca continuos de varios diámetros en un rango de profundidades que puede llegar a superar los 1.500 metros. Además, este método de exploración también ayuda a confirmar la ubicación, profundidad y propiedades de los recursos existentes, permitiendo conocer información sobre las leyes y la estructura del material que se quiere extraer.
Este es uno de los métodos de sondaje favorito de los ingenieros geólogos y metalurgistas debido a que es una herramienta versátil y eficaz. No obstante, los costos de perforación con este método son significativamente altos de tal forma que es necesario realizar un análisis muy cuidadoso para diseñar una eficaz campaña de barrenación.
Una de las principales complicaciones dentro de las actividades de perforación diamantina es el complejo y variado macizo rocoso que presenta la geología de cada terreno a explorar. Por esta misma razón, el uso adecuado de los accesorios de perforación tales como: aditivos y brocas diamantadas para cada terreno en específico, es de suma importancia para llevar una campaña de perforación eficiente y económicamente costeable. De igual manera, usar los parámetros de perforación adecuados y el talento humano, es un factor importante para considerar.
El consumo de metal durante la barrenación es uno de los principales factores que contribuyen a pérdidas económicas, esto debido a que dicho desgaste impacta directamente en el rendimiento de las brocas de perforación. El diseño y composición de la broca, así como las características mineralógicas de la zona geológica de trabajo y habilidades del operador de la maquinaria, son factores fundamentales para entender cómo se da este desgaste. Con el fin de proponer rutas de mejora que aumenten el rendimiento de las brocas, se han realizado diferentes estudios relacionados. Para esto, distintos modelos de desgaste han sido propuestos con diversas aplicaciones; uno de ellos es el propuesto por Menacho, J. y Concha, F. [1], que buscaron proponer un modelo para medir el desgaste en medios de molienda. Para esto, utilizaron una ecuación diferencial parcial de primer orden utilizando una cinética de orden cero. En el presente estudio, un análisis del consumo de metal usando un modelo de desgaste isotrópico de primer orden similar al de Menacho [1], es resuelto, con el fin de estimar el desgaste en dos zonas mineralógicas (Zona Dolores Y18 y Zona Cobriza C12) en brocas de perforación Hero 7, utilizadas en la plaza de barrenación “SANDY-1”. El cálculo del rendimiento es estimado en kg/h para evaluar tal efecto.
ANTECEDENTES TEÓRICOS
Zona geológica de estudio.
La zona del Distrito Minero La Paz se encuentra ubicada geológicamente en el límite de dos provincias paleogeográficas del Mesozoico, la porción occidental corresponde a la CMCM (cuenca mesozoica del centro de México), y al oriente, la PVSLP (plataforma valles San Luis Potosí). Este yacimiento se encuentra actualmente en explotación con dos minas: Dolores con una producción diaria de 4900 toneladas, y la minas: de Cobriza con 4250 toneladas por día. El yacimiento presenta una generalidad en todo el distrito en cuanto a litología y mineralogía; más sin embargo el skarn de Dolores no sólo presenta mineralización de diseminación y micro venillas en el skarn, sino también una serie de vetas con sulfuros que atraviesan la masa de este en diferentes direcciones, dándole una densidad mayor de sulfuros de mena y un aspecto de “stockwork” (González, J. [2]). Las leyes de dichos yacimientos se encuentran en la Tabla1.
Barrenación en la zona geológica de estudio.
Las brocas o coronas de perforación diamantinas son uno de los constituyentes esenciales de una perforación, ubicado en frente de la sarta de barrenación cumple la función de cortar la roca y avanzar con el sondaje. Las diferentes combinaciones de cantidad y tipos de polvos metálicos, como cantidad y tamaño de diamantes, da como resultado diferentes tipos de brocas, y cada una de estas recomendadas para un determinado tipo de suelo a perforar (suelos duros, extra-duros, abrasivos, no abrasivos, blandos o suaves. Las principales brocas usualmente usadas son las siguientes:
Brocas de carburo de tungsteno. Su geometría es basada en prismas octogonales de carburo de tungsteno que proporciona una sujeción segura al cuerpo de la broca. Las brocas se fabrican en tres diámetros 4,5.5 y 7.5 mm. Estas brocas son utilizadas a velocidades relativamente bajas.
Brocas con diamantes incrustados. Actualmente en la mayoría de las brocas insertadas se usan diamantes naturales. Los diamantes son insertados en la matriz de la parte frontal de la broca dejando el diamante expuesto de un octavo a un tercio. Se permite mayor exposición del diamante para formaciones de roca blanda a semiblanda y menor exposición para formaciones duras, fracturas y abrasivas. Los diamantes son montados de tal forma que la matriz quede cubierta uniformemente. Los diamantes, estos pierden su capacidad de corte principalmente por haberse pulido, fracturado o quemado. La matriz que sujeta los diamantes en una posición de corte está compuesta de carburo de tungsteno en forma de carburo cementado el cual es resistente al desgaste.
Para este estudio brocas de la serie GJDS con diamantes incrustados marca Hero 7 son analizados en la Zona dolores y Zona cobriza.
Mecanismos de desgaste en la barrenación.
El desgaste es definido como la interacción de la superficie expuesta de un material con el medio ambiente, teniendo como resultante la pérdida de material de la superficie expuesta (Rosales-Marín G., [3]). Actualmente se reconocen por lo menos tres mecanismos que gobiernan el desgaste de metal en las operaciones mineras; abrasión, impacto y corrosión (Changhua X. [4]). Sin embargo, en el caso particular de la barrenación es principalmente la abrasión el principal mecanismo de desgaste.
Degaste por abrasión.
Se da cuando el metal se desplaza sobre el terreno a perforar, en el cual se genera un deterioro. Si, además se ejerce presión a desplazamiento constante, como es en el caso de la barrenación, la pieza sometida al deterioro en este caso la broca, se desgasta hasta quebrarse o romperse, provocando la inutilidad de esta. Este tipo de accidentes genera paros en la producción impactando negativamente los costos de la compañía. Es necesario analizar qué tipo de fenómeno de abrasión es el que está deteriorando la pieza. De esta manera es posible elegir el tratamiento o recubrimiento adecuado para combatir dicho fenómeno.
En la barrenación, es la abrasión el mecanismo principal por el cual ocurre el desgaste en su superficie, esto debido a la interacción superficial que existe entre la broca diamantina y el mineral perforado. Para comprender de mejor manera como se da el desgaste es necesario fundamentar una teoría del desgaste para barrenos.
Modelo de abrasión pura y desgaste isotrópico.
Este modelo está basado en la teoría lineal del desgaste (Sepúlveda, [4]) la cual es ampliamente aceptada para caracterizar la cinética de consumo, según la cual la velocidad de desgaste del cuerpo moledor es directamente proporcional al área expuesta por éste, a los diferentes mecanismos de desgaste. Por lo cual el fenómeno de desgaste puede ser expresado por la siguiente ecuación:
Donde
Tomando en consideración la geometría del cuerpo de la broca de barrenación diamante, se obtiene:
La expresión anterior es fácilmente dando la siguiente ecuación:
Lo cual indica que el desgaste de la corona es uniforme con respecto al tiempo teniendo una cinética de primer orden. Este fenómeno ocurre por micromecanizado y rayado de superficies, es decir, es un fenómeno netamente superficial. En este caso, la velocidad de pérdida de masa es proporcional al área superficial del medio moledor, lo cual equivale a decir que la velocidad de disminución de su diámetro característico es constante en el tiempo.
Donde
METODOLOGÍA
Pruebas de dureza en las zonas de estudio.
La dureza es una propiedad física de los minerales y materiales que consiste básicamente en la firme unión de las moléculas que la conforman, impidiendo así que cualquier otro objeto o sustancia lo raye, lo penetre, o lo comprometa a fractura. Uno de los parámetros más importantes para poder cuantificar el desgaste de la barrenación es precisamente la dureza de la zona de estudio, para esto, dos metodologías de dureza han sido seleccionadas para tal fin.
Dureza de Knoop.
Frederick Knoop [6] desarrollo un ensayo de dureza (dureza de Knoop) para determinar la dureza mecánica en cualquier tipo de mineral, sin embargo, la metodología tuvo tal efectividad que también fue usada para determinar la dureza en minerales o materiales muy frágiles o láminas delgadas, donde solo se pueden hacer hendiduras pequeñas para realizar la prueba. Este procedimiento fue definido por el estándar ASTM D1474.
El ensayo consiste en presionar en una zona de la muestra con un indentador piramidal de diamante, sobre la superficie pulida del material a ensayar, con una fuerza conocida, durante un tiempo de empuje determinado. Las diagonales de la huella resultante se miden usando un microscopio ópticohttps://es.wikipedia.org/wiki/Microscopio. El identador es una pirámide que presenta una relación entre la anchura y la altura media de 7:1 y con los ángulos de las caras respectivas de 172 grados sexagesimales para el borde largo y 130 grados sexagesimales para el borde corto. La profundidad de la incisión puede ser aproximadamente de 1/30 de la longitud. Para el cálculo del índice de dureza de Knoop se utiliza la siguiente expresión:
Donde
Dureza de Mohs.
Friedrich Mohs (1822), definió una escala ordinal cualitativa que caracteriza la resistencia al rayado de varios minerales a través de la capacidad de un material más duro para rayar un material más blando. El test de dureza de Mohs es una prueba muy simple con una escala de diez minerales, en la que el Diamante es el que mayor dureza y el talco el de menor. La metodología consiste en utilizar materiales cuya dureza es conocida para hacer la prueba. Cuando la dureza relativa de ambos materiales es igual, entonces no se producirá entalle. A partir de esta premisa tenemos que si intentamos rayar el material B del cual no se conoce la dureza se empieza a rayar por el más blando (menos duro) en este caso Talco. Si el material talco no raya al material B, entonces B es más duro que el material Talco, para este caso, se procede a intentar rayar con otro mineral más duro por ejemplo yeso. Este procedimiento se repite hasta que algún mineral de diferente dureza logre rayar al material B, de esta manera tendremos una escala de valor entre la cual un mineral A no logra rayar, mientras que otro mineral C consigue rayar, de esta forma conociendo ambas durezas del Mineral A y C podemos calcular mediante una relación la dureza del mineral B.
Broca de estudio (HERO 7).
La serie HEROTM ha surgido como una interesante opción para la perforación de suelos, puede proporcionar una buena relación entre identación en la roca y vida útil. Se fabrican mediante un proceso de endurecimiento mediante el tratamiento térmico de templado en horno el cual favorece la rigidez en toda la herramienta. Otras características se muestran a continuación:
RESULTADOS Y DISCUSIONES
Dureza en las zonas de estudio.
La dureza calculada por el método de KNOOP y el índice de MOHS fue determinada utilizando la metodología previamente descrita y se muestra en la Tabla 3.
Tabla 3 Dureza en escalas de Knoop y Mohs.
| Zona de estudio | Dureza KNOOP | Dureza de MOHS |
| Dolores Y18 | 654.1 | 6.25 |
| Cobriza C12 | 540.3 | 5.51 |
Como se puede apreciar la zona que denota una mayor dureza es la Dolores Y18 con un valor de 654.1 para la escala de Knoop y de 6.5 en la escala de Mohs, Mientras que la zona Cobriza C12 tiene un valor de dureza de Knoop de 540.3 y en la escala de Mohs de 5.5, esto coloca a ambos macizos rocosos como moderadamente duros. Sin embargo, existen diferencias que pueden afectar el rendimiento de la broca al momento de la barrenación. Para ello es importante poder conocer la Geología del área, y apreciar los eventos estructurales que afectaron o modificaron el área de estudio de cada una de las zonas, con la cual se puede identificar y describir la secuencia de las rocas presentes en las zonas de estudio. La Figura 1 y Figura 2 describe la Geología para ambas zonas de estudio.
Como se puede apreciar ambos análisis Geológicos - estratigráficos tienen una zona donde predomina la roca tipo skarn en una forma mayoritariamente compactada. La roca tipo Skarn refiere es una roca que tiene una matriz carbonatada con minerales producto de metasomatismo, esta zona es relativamente suave y fácil de perforar. En la zona dolores se puede apreciar que la cantidad de skarn es de 40.64% mientras que la zona cobriza la roca tipo skarn es significativamente mayor teniendo un total de 61.3%. Por otro lado, la cantidad de granodiorita en la zona Dolores Y18 es de 59.36% mientras que para la zona Cobriza C12 es de 38.7%, la granodiorita esta principalmente constituida por cuarzo (>20%) y feldespatos. El cuarzo es un mineral cuya característica principal es ser particularmente abrasivo. También se puede apreciar que la granodiorita se encuentra constituida en dos fases la primera de ella compacta, mientras que la segunda es semi fracturada. Una mayor cantidad de granodiorita semi-fracturada contendrá una mayor distribución de partículas de cuarzo con metales como Cu, Au y Ag ocluidos, por lo que esta fase semi-fracturada será aún más abrasiva que la compacta. Para el caso de la Zona Dolores de la cantidad total de granodiorita la fase semi-fracturada es predominante con un 71.59%, mientras que para la Zona Cobriza no solo presenta una menor cantidad de granodiorita si no que del total de esta sólo un 58.77% se encuentra en la fase semi-fracturada.
Resolución del modelo isotrópico de desgaste.
El modelo isotrópico de desgaste fue resuelto para determinar las constantes de
consumo de metal
Tabla 4 Constantes cinéticas de desgaste para las zonas de estudio.
| Zona de estudio | Constante | SSR |
| Dolores Y18 | 0.0123 | 0.000016 |
| Cobriza C12 | 0.0069 | 0.001521 |
Como se puede apreciar en la Tabla 4, la constate de cinética de desgaste para la zona de estudio Dolores Y18 describe un valor de 0.0123 kg/h, este valor es significativamente mayor si se compara con la de la Zona Cobriza C12 la cual solo tiene una constante de desgaste de 0.0069 kg/h.
En la Figura 3, se ha graficado el tiempo (h) versus el peso (kg). Este gráfico describe la pérdida de peso con respecto a tiempo, lo cual puede traducirse en una disminución en el área diamantada que es usada para llevar a cabo la perforación. Como se puede apreciar el tiempo de perforación en la Zona Dolores Y18 solo fue de 33 horas, mientras que para la Zona Cobriza C12 el tiempo de perforación se incrementó siete horas más hasta llegar a las 40 horas antes de ser desechada.
Medición del avance en la perforación.
En la Figura 4, se puede apreciar el avance en metros de la perforación de la broca Hero 7, la Zona Dolores Y18 reporta un avance de 96 metros en 40 horas de trabajo antes de ser cambiada; este es el menor avance entre ambas pruebas debido a las condiciones geológicas de la granodiorita, en su mayor parte está semifracturada en esta zona. La zona Cobriza C12 demostró una mejor eficiencia en el avance en metros con un valor de 116 m en tan solo 32 horas. Con esto podemos concluir que la granodiorita semi-fracturada es un factor que aumenta el desgaste en la broca de estudio (Hero 7).
CONCLUSIONES
De los resultados obtenidos a partir de la resolución del modelo de abrasión pura y desgaste isotrópico enfocado a brocas de perforación diamantina Hero 7, se obtienen las siguientes conclusiones:
El modelo de desgaste isotrópico puede predecir el desgaste por el fenómeno de abrasión en las brocas diamantadas para perforación de testigo, siendo este de primer orden, esto de acuerdo con las pruebas experimentales hechas en las zonas Dolores Y18 y Cobriza C12.
El índice de desgaste determinado en la resolución de modelo es de 0.0123 kg/h para la zona Dolores Y18, y de 0.0069 kg/h para la zona Cobriza C12, teniendo el mayor índice de desgaste Zona Dolores.
La geología estructural de la zona demuestra que a mayor cantidad de granodiorita semi-fracturada, el índice de desgaste será mayor debido a que una mayor distribución de partículas de cuarzo puede contener agregados metálicos de Cu, Au y Ag ocluidos.
Para evaluar el índice de desgaste de las brocas es indispensable conocer las características petrológicas de las áreas de estudio, asimismo las condiciones y su intensidad de eventos geológicos estructurales que han afectado a dichas áreas. Este estudio pretende dar el primer paso en la creación de un modelo fenomenológico geometalúrgico que pueda ser capaz de evaluar las brocas de perforación para la toma de muestra.
