Diseño de Pozos Verticales de Extracción PDF

Capítulo 2 DISEÑO DE POZOS VERTICALES DE EXTRACCIÓN OBJETIVOS DEL TEMA 1. Conocer la importancia del pozo minero y la necesidad de acertar en su correcto dimensionamiento y construcción. 2. Conocer los criterios que gobiernan la selección del empl...

Capítulo 2 DISEÑO DE POZOS VERTICALES DE EXTRACCIÓN OBJETIVOS DEL TEMA 1. Conocer la importancia del pozo minero y la necesidad de acertar en su correcto dimensionamiento y construcción. 2. Conocer los criterios que gobiernan la selección del emplazamiento de un pozo. 3. Conocer los criterios para definir el diámetro en el dimensionamiento de un pozo. 4. Conocer los criterios para decidir las características del revestimiento de un pozo. 5. Conocer el criterio para el diseño de los enganches a los distintos pisos. 6. Conocer los aspectos a tener en cuenta en el diseño de las entradas a un pozo. 7. Conocer los métodos y técnicas de profundización existentes. 1. IMPORTANCIA DEL POZO MINERO El pozo de extracción es la apertura más importante en minas subterráneas y por él pasan todos los suministros para la explotación tales como ventilación, transporte de mineral, suministros y personas, electricidad, aire comprimido, agua, bombeo. Una vez perforado admite escasas posibilidades de modificación, por lo que su adecuado diseño inicial contemplando su eficiencia durante toda la vida operativa del pozo, que no de la mina, es uno de los parámetros más críticos. Dada su importancia, debe escogerse adecuadamente su ubicación, su diámetro, el método de profundización, el recubrimiento de las paredes del pozo, el brocal, los enganches en los niveles y la maquinaria de extracción. La capacidad del pozo se diseñará pensando en posibles ampliaciones de producción posteriores.  DISEÑO DE EXPLOTACIONES E INFRAESTRUCTURAS MINERAS SUBTERRÁNEAS CAPÍTULO 2 Pág.: 18 UPM ETSIMM DISEÑO DE POZOS VERTICALES DE EXTRACCIÓN 2. SELECCIÓN DE LA UBICACIÓN DEL POZO Los pozos de extracción no deben ser afectados por las inundaciones, y para ello se analizará la máxima venida de los cien años. Tampoco deben situarse demasiado próximos a carreteras de gran circulación, ni en entornos industriales que puedan ser objeto de a), b), c), minas con tres pozos. d) mina con cuatro pozos incendios con gran producción de humos. En los parajes boscosos con árboles incendiables, se talará previamente un radio de unos 100 m y se eliminará la vegetación que pueda incendiarse, todo ello con el fin de evitar que entren humos en la ventilación. Se analizarán todas aquellas cuestiones externas que pudieran poner en peligro la vida de los trabajadores y la integridad de la mina y que pueden influir en la decisión sobre el emplazamiento del pozo. El número mínimo de pozos que deben excavarse para la explotación de la mina es dos, siendo dedicado uno de ellos para producción, personal, entrada de materiales, equipos y aire. El otro pozo es para el retorno del aire y como vía adicional de escape. A veces es necesario la excavación de tres pozos Localización de los dos pozos de una mina: cuando la extensión de la mina no permite una A) En el centro de gravedad, adecuada ventilación con dos pozos. Cuatro pozos B) En el muro con el eje de unión en dirección serán necesarios cuando las necesidades de de la corrida. producción doblen aproximadamente la capacidad de  DISEÑO DE EXPLOTACIONES E INFRAESTRUCTURAS MINERAS SUBTERRÁNEAS CAPÍTULO 2 Pág.: 19 UPM ETSIMM DISEÑO DE POZOS VERTICALES DE EXTRACCIÓN una eventual mina de dos pozos con la mitad de colocarán en posición central y los dos de producción. ventilación en posición extrema en la dirección de la corrida. Si el yacimiento es alargado en la Dos pozos: dirección del buzamiento tres pozos se colocarán La posición central (a) de los pozos tiene las en le centro y el cuarto en la zona en la que el ventajas de menores costos de transporte y yacimiento está más próximo a la superficie. recorridos menores del aire de ventilación. Los pozos deben estar separados al menos 100m. Sin embargo, la necesidad de dejar unos macizos 3. DIÁMETRO DEL POZO de protección importantes reduce la reserva explotable. En yacimientos tabulares monocapa a En el pozo principal o de producción, el diámetro se profundidad moderada es la ubicación más evalúa de modo que sea el mínimo requerido para la eficaz. Una localización lateral (b) a muro del circulación de las jaulas ó skips y para dar espacio a yacimiento, incrementa los costes de transporte y los conductos eléctricos, de aire comprimido, de agua las distancias de ventilación, pero no se hace fresca, de ventilación, bombeo y relleno en su caso y imposible la explotación de parte de las reservas para la escala del escape de emergencia. Se realiza mineras por la existencia de los macizos de un plano de la sección del pozo y se dibujan la sección protección de los pozos. y disposición de cada uno de los elementos anteriores, adaptando en lo necesario el contorno del pozo. Se El eje de unión de los pozos será paralelo a la tendrá en cuenta las distancias mínimas a considerar dimensión máxima del yacimiento, y si los pozos entre los elementos móviles y las paramentos del son rectangulares el eje mayor se pondrá pozo. perpendicular a la corrida de la capa o filón, a la esquistosidad, a los planos de sedimentación, y a Se comprueba que la cantidad y la velocidad del aire los esfuerzos tectónicos regionales y planos de de ventilación son las especificadas. El volumen de los exfoliación de las rocas en presencia. skips se estima de la forma siguiente: Tres pozos: Sea Q la carga máxima de mineral del skip que se El pozo principal suele tener un diámetro(7 a 8 m) quiere utilizar para una producción diaria de W mayor que los auxiliares de ventilación (5 a 6 m). toneladas, siendo T las horas de extracción diarias. Se tiene: Si el pozo principal se coloca en el centro de gravedad del yacimiento, los pozos auxiliares se ktW colocarán en los extremos opuestos de la Q dirección de la corrida siempre que la longitud de 3600T la concesión minera en esta dirección sea 2 a 3 Dónde: k es un factor de irregularidad = 1,5 para veces mayor que en la dirección del buzamiento. dos skips y = 1,25 para solo un skip o jaula; t = t1 + t2 es el tiempo total de en ciclo en s, (t1 es En el caso de un yacimiento masivo, estrecho, tiempo de funcionamiento, t2 es el tiempo de alargado en el sentido de la corrida el pozo parada). principal se sitúa en el centro y a muro; los pozos auxiliares se ubican en los extremos y fuera del El volumen del skip es: yacimiento. Q Si el área a minar se alarga en el sentido del P buzamiento el pozo principal y uno de los  auxiliares se colocan en el centro del yacimiento, mientras que el segundo pozo auxiliar se colocará dónde ? es la densidad aparente de la carga de en la zona del yacimiento más próxima a la 3 mineral en t/m. Para carbón se toma un valor entre superficie 0,8 - 0,85 y para minerales, de 1,4 a 1,5. Cuatro pozos: Basándose en estas estimaciones y cálculos y En este caso el pozo principal se usará para teniendo en cuenta las consideraciones previas KF, extraer la producción y como entrada, el segundo Unrug propone el ábaco de la página siguiente pozo para personal y entrada de materiales y los siguiente para la evaluación de los principales otros dos para ventilación. Los cuatro pozos parámetros del pozo: serán de diámetro similar. Los dos primeros se  DISEÑO DE EXPLOTACIONES E INFRAESTRUCTURAS MINERAS SUBTERRÁNEAS CAPÍTULO 2 Pág.: 20 UPM ETSIMM DISEÑO DE POZOS VERTICALES DE EXTRACCIÓN Ábaco para la determinación de diferentes parámetros y la capacidad de extracción con 1 y 2 skips. Las ventajas del hormigón son las posibilidades de conseguirse resistencias altas de hasta 50 Mpa y que 4. REVESTIMIENTO DEL POZO puede impermeabilizarse para presiones hidrostáticas El revestimiento del pozo cumple las misiones de no demasiado elevadas de los niveles freáticos. servir de soporte a los equipos y sostener las paredes. En los pozos modernos de sección circular o elíptica el Normalmente el revestimiento no se calcula en pozos revestimiento se hace de hormigón armado con un realizados en rocas duras ya que la resistencia del espesor mínimo de 20 cm., aunque en pozos de hormigón es inferior a las tensiones de la roca, por lo sección rectangular perforados en rocas competentes que el hormigón no debería estar sometido a puede usarse revestimiento de madera. Antiguamente presiones del terreno. Sin embargo el brocal y la parte se ha usado revestimiento de ladrillo o de bloque. de pozo excavado en el terreno de recubrimiento sí pueden estar sometidos a tales esfuerzos del terreno  DISEÑO DE EXPLOTACIONES E INFRAESTRUCTURAS MINERAS SUBTERRÁNEAS CAPÍTULO 2 Pág.: 21 UPM ETSIMM DISEÑO DE POZOS VERTICALES DE EXTRACCIÓN o de la presión del freático. La presión del agua se Para el cálculo del revestimiento del brocal y del calcula fácilmente como la altura máxima de la recubrimiento es prudente suponer que la columna de columna de agua, y la presión debida a terrenos no agua llega hasta la superficie y que al menos el 70% cohesionados (arenas) como el producto altura x de la presión máxima teórica del terreno activo se densidad. Si los terrenos están cohesionados aplica a lo largo de toda la embocadura del pozo. conviene recurrir a un especialista en geotecnia o mecánica de suelos. Para calcular el espesor de hormigón del brocal y del    Rc  d  r  1  1  R  Fp 2   c  revestimiento en el recubrimiento se utilizan las siguientes expresiones:  Rc  d  r   1  Rc  2pF    Diferentes formas de brocal de pozos (Urug, 1985) en el caso de que se considere que la presión se aplica de golpe provocando una reacción elástica del hormigón ( La forma del brocal depende de las condiciones del fórmula de Lamé), o bien terreno. El primer tramo se reviste con un espesor de en el caso en que la presión sea alta y 1 a 2 m; el siguiente tramo es de 0.6 a 1 m de espesor se aplica gradualmente, provocando o aproximadamente dos veces el espesor del una reacción plástica del hormigón revestimiento normal del pozo. El espesor en el tercer (fórmula de Huber). tramo estará entre el del primero y el del revestimiento normal. La base de la embocadura se asentará en roca firme, a 2 ó 3 m por debajo del terreno de d = espesor del revestimiento en m recubrimiento. La forma es a menudo de doble tronco r = radio interior del pozo en m de cono para mejor transmitir los esfuerzos. Además Rc = resistencia del hormigón en de los esfuerzos descritos, pueden inducirse otros por Mpa la presencia de fundaciones ó cimentaciones p = presión externa que actúa sobre próximas. Se define una zona de influencia por el cono el hormigón en Mpa de eje vertical con 35º de semiángulo en el vértice con F = 2, coeficiente de seguridad éste en la base de la cimentación. El efecto de cargas respecto de la tensión de adicionales será despreciable cuando la distancia compresión horizontal del borde del pozo a la cimentación sea mayor que (ho-hf) tg 55º, donde ho es la profundidad de la embocadura del pozo y hf es la profundidad de la EJEMPLO cimentación. Hallar el espesor d de hormigón necesario para un pozo circular sometido a presión externa mediante la fórmula de Lamé. Datos: Diámetro interior del pozo D = 6,1 m Presión externa p = 1,4 MPa Resistencia del hormigón a los 28 días R = 25 Mpa Solución:  25  d  3,05    1 = 0,412 m  25  2  2  1,4     DISEÑO DE EXPLOTACIONES E INFRAESTRUCTURAS MINERAS SUBTERRÁNEAS CAPÍTULO 2 Pág.: 22 UPM ETSIMM DISEÑO DE POZOS VERTICALES DE EXTRACCIÓN 5. ENTRADAS HORIZONTALES AL POZO Las entradas en los pozos de ventilación, sin maquinaria de extracción, deben calcularse en función de la mínima resistencia a la circulación del aire. Las dimensiones de las entradas en los niveles de un pozo de extracción se calcularán de acuerdo con el ancho y el número de skips y jaulas que se elevan a ese nivel, número de pisos por jaula y la longitud máxima de los equipos y suministros que deban Zona de influencia de otras cimentaciones próximas. Se dibuja el semicono cuyo eje vertical forma 35º con la descargarse en el nivel. Además se comprueba que la generatriz y cuyo vértice se encuentra en el vértice de base sección eficaz es suficiente para la ventilación de la cimentación. El efecto de las cargas adicionales será requerida: las velocidades de aire recomendadas son despreciable cuando LO es mayor que (hO-hF) tg 55º, siendo de 4 m/s para los pozos de producción y de 8 m/s para hO la profundidad del brocal del pozo, y hF la profundidad de la cimentación de la construcción aneja. (Urug,1985) los pozos de ventilación. En la entrada del nivel se debe además prever Cálculo de la altura de la entrada: H = (L-D) tg 45º. D = diámetro del pozo, a = 45º. espacio para los empujadores, giro y volteo de plataformas y vagonetas, galerías para entrada y salida simultánea de personal de las jaulas multipiso, nichos para equipos de control, bypass alrededor del pozo, etc. La altura de la entrada en el nivel se determina por la máxima longitud de los objetos transportados como, por ejemplo, los carriles de las vías.  DISEÑO DE EXPLOTACIONES E INFRAESTRUCTURAS MINERAS SUBTERRÁNEAS CAPÍTULO 2 Pág.: 23 UPM ETSIMM DISEÑO DE POZOS VERTICALES DE EXTRACCIÓN es hoy lo comúnmente empleado, y recurriéndose a contratistas externos para ello. 6. PROFUNDIZACIÓN DE POZOS De todas las aperturas realizadas en las minas los pozos son la obras más costosas en tiempo y dinero. Además la profundización de pozos es un Excepto a grandes profundidades, los pozos perforados en roca dura no requieren consideraciones especiales para el mantenimiento de la estabilidad del paramento. Los pozos se perforan de arriba abajo, aunque en Operación de profundización procedimiento complicado. Aunque algunos pozos se perforan mediante sondeos de gran diámetro, en la mayoría se emplea el método tradicional de perforación y voladura bien de sección rectangular con sostenimiento de madera bien de Esquema de perforación para un pozo de 9 m de sección circular con sostenimiento de hormigón, que diámetro  DISEÑO DE EXPLOTACIONES E INFRAESTRUCTURAS MINERAS SUBTERRÁNEAS CAPÍTULO 2 Pág.: 24 UPM ETSIMM DISEÑO DE POZOS VERTICALES DE EXTRACCIÓN minas ya existentes a veces se realizan de abajo a arriba. A título de ejemplo se muestra en las figuras adjuntas un esquema de perforación y disparo de la pega y algunos casos de perforación de pozos. 7. PROFUNDIZACIÓN DE POZOS POR EL SISTEMA TRADICIONAL Cuando se trata de minas ya establecidas con pozos gemelos la operación de profundización se facilita ya que se reprofundiza el pozo auxiliar y con una galería se llega a la proyección del pozo principal y se sube en realce con sección estrecha que se ensancha bajando. Para proteger el personal se deja un macizo de 5 a 10 m en el fondo del pozo que se destruye en el último momento. Con un solo pozo es más frecuente trabajar en caldera descendente o en calderilla, para lo cual se construye un techo de madera bajo el cual se trabaja. Cuando el terreno es suelto y descompuesto y la venida de agua importante se emplean métodos especiales que se encargan a empresas especializadas. Cabezal de profundización  DISEÑO DE EXPLOTACIONES E INFRAESTRUCTURAS MINERAS SUBTERRÁNEAS CAPÍTULO 2 Pág.: 25 UPM ETSIMM DISEÑO DE POZOS VERTICALES DE EXTRACCIÓN Skip de seguridad  DISEÑO DE EXPLOTACIONES E INFRAESTRUCTURAS MINERAS SUBTERRÁNEAS CAPÍTULO 2 Pág.: 26 UPM ETSIMM DISEÑO DE POZOS VERTICALES DE EXTRACCIÓN  DISEÑO DE EXPLOTACIONES E INFRAESTRUCTURAS MINERAS SUBTERRÁNEAS CAPÍTULO 2 Pág.: 27 UPM ETSIMM DISEÑO DE POZOS VERTICALES DE EXTRACCIÓN Dos tipos de máquina de desescombro de la pega del fondo del pozo durante la profundización Este método permite explotar yacimientos en el permafrost que de otro modo sería imposible. 8. OTROS MÉTODOS DE PROFUNDIZACIÓN 8.1. MÉTODO DE CONGELACIÓN Consiste en congelar el terreno suelto y muy acuífero y perforar el pozo en la zona congelada. Para ello se hacen una serie de sondeos en círculo a 2 ó 3 m del contorno del futuro pozo y separados 1 m entre sí hasta llegar a una base firme impermeable. Estos sondeos se entuban con tubos cerrados por el fondo y se introduce en ellos, mediante otros tubos de menor diámetro, una lejía o salmuera de cloruro magnésico o cálcico, refrigerada de –19 a –25ºC. El terreno se congela y el pozo puede perforarse. La verticalidad de los sondeos es extremadamente importante porque en caso contrario pueden quedar zonas sin congelar.  DISEÑO DE EXPLOTACIONES E INFRAESTRUCTURAS MINERAS SUBTERRÁNEAS CAPÍTULO 2 Pág.: 28 UPM ETSIMM DISEÑO DE POZOS VERTICALES DE EXTRACCIÓN 8.2. MÉTODO DE HONIGMANN 8.3. MÉTODO DE CEMENTACIÓN Deriva del antiguo King Chaudron, en desuso y que Consiste en inyectar una lechada de cemento a utilizaba grandes trépanos de percusión. En el presión a través de una corona de sondeos. La Honigmann el trépano es rotativo y los residuos se cementación cierra las grietas y poros extraen por circulación de lodos, bajando por el pozo y impermeabilizando el terreno. Las grietas deben tener saliendo por el varillaje, inyectando aire comprimido. más de 0,1 mm de ancho para admitir la lechada. En El pozo se mantiene siempre lleno de agua y lodo, y las arenas solo puede aplicarse cuando son lo se parece un rotary grande. Terminada la suficientemente permeables para no comportarse profundización se introduce un revestimiento cilíndrico como un filtro y detener el cemento rápidamente. Este de chapa que se empalma por secciones y se hunde método sirve también para galerías cimentaciones etc. poco a poco. Cuando llega al fondo se cementa el Al secar el macizo se profundiza por el método hueco entre el revestimiento y el terreno eliminando el ordinario y es de excelente aplicación en rocas firmes lodo con agua limpia lo que a veces da lugar a con grietas no demasiado grandes y sin arcilla ya que presiones y hundimientos. El método es bueno para esta es un veneno que impide el fraguado del terrenos blandos y profundidades medias. cemento. La cementación se hace desde el fondo y solo en los tramos con grietas. Perforación de pozos por el método ascendente a pleno diámetro 1. Compartimento de evacuación del escombro 2. Escala de paso de personal 3. compartimento del recipiente de evacuación 4. almacenamiento del escombro 5. nivel inferior del pozo 6. macizo de protección 7. sondeo de ventilación desde la caldera del pozo superior  DISEÑO DE EXPLOTACIONES E INFRAESTRUCTURAS MINERAS SUBTERRÁNEAS CAPÍTULO 2 Pág.: 29 UPM ETSIMM DISEÑO DE POZOS VERTICALES DE EXTRACCIÓN 8.6. MÉTODO DE DESECACIÓN 8.4. MÉTODO DE HINCA Consiste en bajar el nivel del acuífero mediante bombas introducidas en sondeos de diámetro elevado, En este método el revestimiento se clava en el terreno alrededor del futuro pozo, para a continuación a medida que se completa su construcción por la parte proceder como habitualmente. superior y se extraen las tierras interiores. Para ello el revestimiento apoya sobre un anillo o rodete cortante de acero pudiendo ser el resto de hormigón o de anillos de fundición. Cuando su propio peso no basta 8.7. MÉTODOS TURBO-ROTARY Y CON se ayuda a hincar el revestimiento con gatos hidráulicos, inyectando aire comprimido, lubricante con CORONA tubos por detrás del revestimiento, etc. Este método solo se aplica en terrenos blandos o sueltos con agua El turbo-rotary utiliza turbinas en el fondo junto a y hasta 30 m de profundidad. Se trabaja a nivel lleno triconos transmitiéndose una gran potencia con por lo que para sacar las tierras se emplean cucharas motores. El de corona utiliza una corona de 3 a 4 m de y buzos si es preciso. diámetro con 12 triconos en su borde y saca un testigo central cada 5 m de profundización 8.5. MÉTODO DE TABLESTACAS Se trabaja como en el avance de galerías en terrenos inconsistentes y acuíferos en los que la fortificación se clava avanzada sobre el arranque, para evitar que las tierras fluyan inundando el hueco abierto. Se llega hasta 25 m de profundidad. Las tablestacas se solapan entre sí impidiendo el paso de las tierras y se clavan a maza o con peso suspendido o martinete. Son de madera o metálicas y se apoyan en cuadros de madera o en anillos metálicos como en el avance de galerías  DISEÑO DE EXPLOTACIONES E INFRAESTRUCTURAS MINERAS SUBTERRÁNEAS CAPÍTULO 2 Pág.: 30 UPM ETSIMM DISEÑO DE POZOS VERTICALES DE EXTRACCIÓN Perforación ascendente del pozo con el escariador ascendente de gran diámetro (a) Perforación del sondeo piloto (b) Ensanchamiento ascendente por escariado de gran diámetro  DISEÑO DE EXPLOTACIONES E INFRAESTRUCTURAS MINERAS SUBTERRÁNEAS CAPÍTULO 2 Pág.: 31 UPM ETSIMM DISEÑO DE POZOS VERTICALES DE EXTRACCIÓN 8.8. MÉTODOS ALIMAK  DISEÑO DE EXPLOTACIONES E INFRAESTRUCTURAS MINERAS SUBTERRÁNEAS CAPÍTULO 2 Pág.: 32 UPM ETSIMM DISEÑO DE POZOS VERTICALES DE EXTRACCIÓN 9. DIVISIÓN DEL POZO EN COMPARTIMENTOS Una vez perforado y revestido, se instalarán en el pozo los diferentes elementos necesarios para la operación. En primer lugar se instalan las traviesas y los guionajes. El pozo se divide en compartimentos y se instalan las jaulas y skips definitivos. Se dotará al pozo de la escala de escape y de la plataforma de salida. La tubería de ventilación estará en su compartimento así como la tubería de agua, aire comprimido, de evacuación del bombeo, de energía, de introducción de rellenos, y alguna conducción de respeto. En la siguiente figura se ve un esquema de la distribución de la sección de un pozo: Pozo vertical de sección rectangular. El skip se guía con cables y la jaula con guionaje de madera. 10. ENGANCHES Se llaman así a las galerías que, en los niveles, enlazan el pozo con los transversales y sirven para las maniobras de carga y descarga. En los enganches de interior cuando se utilizan vagonetas, se realiza la recepción de los vagones cargados, desenganchado de los mismos, carga y descarga de las jaulas, reunión de vagones vacíos y formación de trenes, tanto vacíos como con material y para circulación de material. En el de superficie hay que cargar y descargar las jaulas, pero los vagones circulan sueltos en dirección a los basculadores o al almacén y vuelven vacíos o con material. En cualquier caso se utiliza la gravedad para ayudar al movimiento de los vagones y además cables, cadenas rastreras, empujadores, o bien, frenos y topes. Sección de un pozo circular forrado de hormigón. Posición de los diferentes compartimentos entradas Los enganches para skips tienen ventajas sobre los de vagones. La capacidad de extracción es mayor, el coste de la instalación es menor, menos pérdidas de tiempo, automatismo más fácil y menos personal de operación. Sin embargo, desmenuzan más el mineral, las excavaciones son mayores para alojar tolvas, producen más polvo y vertidos a la caldera del pozo durante la carga de los skips.  DISEÑO DE EXPLOTACIONES E INFRAESTRUCTURAS MINERAS SUBTERRÁNEAS CAPÍTULO 2 Pág.: 33 UPM ETSIMM DISEÑO DE POZOS VERTICALES DE EXTRACCIÓN Enganche de un solo nivel con maniobra en jaula de varios pisos.  DISEÑO DE EXPLOTACIONES E INFRAESTRUCTURAS MINERAS SUBTERRÁNEAS CAPÍTULO 2 Pág.: 34 UPM ETSIMM DISEÑO DE POZOS VERTICALES DE EXTRACCIÓN Enganche para skips