Hundimiento del eje

La minería de pozos o excavación de pozos es la acción de excavar un pozo de mina desde arriba hacia abajo, donde inicialmente no hay acceso al fondo. ^[1] Los pozos poco profundos , típicamente hundidos para proyectos de ingeniería civil , difieren mucho en el método de ejecución de los pozos profundos, típicamente hundidos para proyectos de minería .

La perforación de pozos es uno de los métodos de explotación minera más difíciles: el espacio restringido, la gravedad, las aguas subterráneas y los procedimientos especializados hacen que la tarea sea bastante formidable. ^[2] Los pozos se pueden perforar mediante perforación y voladura convencionales o por medios mecanizados.

Históricamente, el hundimiento de pozos de minas ha sido una de las ocupaciones mineras más peligrosas de todas y el dominio exclusivo de los contratistas mineros llamados perforadores . ^[3] Hoy en día, los contratistas de hundimiento de pozos se concentran en Canadá , Alemania , China y Sudáfrica .

La industria moderna de perforación de pozos está cambiando gradualmente hacia una mayor mecanización. Las innovaciones recientes en forma de perforación de pozos de frente completo ^[4] (similar a una máquina perforadora de túneles verticales ) han demostrado ser prometedoras, pero el uso de este método, a fecha de 2019, no está muy extendido. ^[5]

Los pozos de minas son túneles verticales o casi verticales que se "hunden" como medio de acceder a un cuerpo de mineral subterráneo durante el desarrollo de una mina subterránea.

La forma ( vista en planta ), las dimensiones y la profundidad de los pozos mineros varían mucho en respuesta a las necesidades específicas de la mina de la que forman parte y la geología en la que se encuentran. Por ejemplo, en América del Norte y del Sur, los pozos más pequeños están diseñados para ser rectangulares en planta con soportes de madera . Los pozos más grandes son redondos en planta y están revestidos de hormigón . ^[6]

Los pozos de minas se pueden utilizar para diversos fines, entre ellos, como medio de escape en caso de emergencia subterránea y para permitir el movimiento de:

• Gente
• Materiales
• Servicios mineros (como aire comprimido, agua, relleno, energía, comunicaciones y combustible)
• Aire de ventilación
• Rocas rotas (en forma de mineral valorable o desecho no valorable)
• O cualquier combinación de las anteriores

Cuando la parte superior de la excavación es la superficie del suelo, se denomina pozo ; cuando la parte superior de la excavación es subterránea, se denomina pozo secundario . Se pueden excavar pozos pequeños hacia arriba desde el interior de una mina existente siempre que haya acceso en la parte inferior, en cuyo caso se denominan pozos de extracción .

Un pozo puede ser vertical o inclinado (entre 80 y 90 grados con respecto a la horizontal), aunque la mayoría de los pozos mineros modernos son verticales. Si existe acceso en la parte inferior del pozo propuesto y las condiciones del terreno lo permiten, se puede utilizar una perforación de chimenea para excavar el pozo desde abajo hacia arriba; a estos pozos se los denomina pozos de sondeo .

Tras el desastre de la mina Hartley Colliery , en el que el único pozo de la mina quedó bloqueado, ^[7] el Reino Unido declaró ilegales las minas de un solo pozo en 1862 y estableció la práctica de que todas las minas subterráneas deben tener "un segundo medio de salida". Muchas otras jurisdicciones mineras del mundo han adoptado esta regla y, por lo tanto, los pozos suelen encontrarse en pares (aunque existen múltiples métodos alternativos para proporcionar un segundo medio de salida).

En la actualidad, el pozo minero continuo de una sola elevación más profundo del mundo es el pozo principal de la mina South Deep en Sudáfrica, propiedad de Gold Fields Limited , que tiene una profundidad de 2991 metros. ^[8] Junto con sus pozos de ventilación gemelos, tardó diez años en hundirse y equiparse.

La característica más visible de un pozo minero construido de manera tradicional es el bastidor (o torre de bobinado, cabezal de válvula o cabezal de pozo) que se encuentra sobre el pozo. Según el tipo de polipasto (o bobinador) utilizado, la parte superior del bastidor albergará un motor de polipasto o una polea (con el motor de polipasto montado en el suelo). El bastidor también suele contener contenedores para almacenar el mineral que se transfiere a la planta de procesamiento.

A nivel del suelo, debajo y alrededor del bastidor, se encuentra el collar del pozo (también llamado banco o plataforma), que proporciona la base necesaria para soportar el peso del bastidor y proporciona un medio para que los trabajadores, los materiales y los servicios entren y salgan del pozo. Los collares suelen ser estructuras macizas de hormigón armado con más de un nivel. Si el pozo se utiliza para la ventilación de la mina , se incorpora un espacio de cámara o carcasa al collar para garantizar el flujo adecuado de aire dentro y fuera de la mina.

Debajo del collar, la parte del eje que continúa dentro del suelo se llama cañón del eje . ^{[ cita requerida ]}

En los lugares donde el cañón del pozo se encuentra con las labores horizontales hay una estación de pozo (o inserción) que permite que los hombres, los materiales y los servicios entren y salgan del pozo. Desde la estación, los túneles (galerías o niveles) se extienden hacia el cuerpo de mineral , a veces por muchos kilómetros. La estación de pozo más baja es, con mayor frecuencia, el punto donde la roca sale de los niveles de la mina y se transfiere al pozo; en ese caso, se excava un bolsillo de carga en un lado del pozo en esta ubicación para permitir que se construyan las instalaciones de transferencia.

Debajo de la estación del pozo más baja, el pozo continúa por una cierta distancia; esta área se conoce como el fondo del pozo . Un túnel llamado rampa generalmente conecta el fondo del pozo con el resto de la mina; esta rampa a menudo contiene la instalación de manejo de agua de la mina, llamada sumidero , ya que el agua fluirá naturalmente hacia el punto más bajo de la mina.

Muchos pozos (aunque no todos) se revisten después de la excavación y la instalación de un soporte de tierra temporal. El revestimiento del pozo cumple varias funciones: en primer lugar, es una medida de seguridad que evita que rocas sueltas o inestables caigan en el pozo; luego, es un lugar donde se atornillan los conjuntos de pozos y, por último, es una superficie lisa para minimizar la resistencia al flujo de aire para la ventilación.

La elección final del revestimiento del pozo depende de la geología de la roca por la que pasa el pozo; algunos pozos tienen varias secciones de revestimiento según sea necesario ^[9]. Cuando los pozos están hundidos en rocas muy competentes, puede que no haya necesidad de revestimiento en absoluto, o solo la instalación de malla soldada y pernos de roca . El material de elección para el revestimiento del pozo es el hormigón en masa que se vierte detrás de los encofrados del pozo en elevaciones de 6 m a medida que el pozo avanza (se hace más profundo).

En algún momento u otro se han utilizado hormigón proyectado , hormigón fibroso, ladrillos , tubos de hierro fundido y segmentos de hormigón prefabricado . Además, en circunstancias específicas se ha requerido el uso de materiales como betún e incluso pelotas de squash. En casos extremos, en particular cuando se hunde a través de halita , pueden ser necesarios revestimientos compuestos que consten de dos o más materiales. ^[10]

El revestimiento del pozo no llega hasta el fondo del pozo durante el hundimiento, sino que se queda atrás una distancia fija. Esta distancia está determinada por la metodología de excavación y el espesor de diseño del revestimiento permanente. Para garantizar la seguridad de las personas que trabajan en el fondo del pozo, se instala un soporte de tierra temporal, que generalmente consiste en malla soldada y pernos de roca . La instalación del soporte de tierra temporal (llamado empernado ) es una de las partes físicamente más desafiantes del ciclo de hundimiento del pozo, ya que los pernos deben instalarse utilizando perforadoras de roca neumáticas .

Por este motivo, y para minimizar el número de personas en el fondo del pozo, en varios proyectos se ha optado por el hormigón proyectado para este revestimiento temporal. La investigación y el desarrollo en este ámbito se centran en la aplicación robótica del hormigón proyectado y en la comercialización de revestimientos de polímeros de proyección fina .

Cuando el eje se va a utilizar para elevación, con frecuencia se divide en varios compartimentos mediante conjuntos de ejes , que pueden estar hechos de madera o acero . Los miembros verticales de un conjunto de ejes se denominan guías , mientras que los miembros horizontales se denominan buntons . En el caso de las guías de ejes de acero, las dos opciones principales son las secciones estructurales huecas y las secciones en forma de sombrero de copa. Las secciones en forma de sombrero de copa ofrecen una serie de ventajas sobre las secciones estructurales huecas, entre las que se incluyen una instalación más sencilla, una mejor resistencia a la corrosión y una mayor rigidez. Los medios de transporte de las minas se desplazan sobre las guías de forma similar a como una montaña rusa de acero se desplaza sobre sus raíles, y ambas tienen ruedas que las mantienen firmemente en su lugar.

Algunos ejes no utilizan vigas guía sino que utilizan cables de acero (llamados cables guía ) mantenidos en tensión por pesos masivos en la parte inferior del eje llamados pesas de queso (debido a su parecido con una rueda de queso) ya que son más fáciles de mantener y reemplazar.

El compartimento más grande se utiliza normalmente para la jaula de la mina , un medio de transporte utilizado para trasladar a los trabajadores y los suministros por debajo de la superficie, que está suspendido del polipasto mediante un cable de acero. Su funcionamiento es similar al de un ascensor . Las jaulas pueden ser de uno, dos o, en raras ocasiones, de tres pisos, y siempre cuentan con varios sistemas de seguridad redundantes en caso de fallo inesperado.

El segundo compartimento se utiliza para uno o más contenedores , que se utilizan para elevar el mineral a la superficie. Las operaciones mineras más pequeñas utilizan un contenedor montado debajo de la jaula, en lugar de un dispositivo separado, mientras que algunas minas grandes tienen pozos separados para la jaula y los contenedores. El tercer compartimento se utiliza para una salida de emergencia; puede albergar una jaula auxiliar o un sistema de escaleras. Un compartimento adicional alberga servicios de mina como cables de alta tensión y tuberías para la transferencia de agua, aire comprimido o combustible diésel .

Una segunda razón para dividir el pozo es la ventilación . Uno o más de los compartimentos mencionados anteriormente pueden utilizarse para la entrada de aire, mientras que otros pueden utilizarse para la extracción. En este caso, se instala una pared de acero o de hormigón llamada rejilla entre los dos compartimentos para separar el flujo de aire. En muchas minas hay uno o más pozos auxiliares adicionales completos e independientes con jaulas y equipos de elevación independientes.

El punto más bajo de un pozo de perforación se conoce como "fondo del pozo". Los proyectos de pozos difieren de otras formas de desarrollo minero en que todas las actividades que se realizan en el fondo del pozo se convierten en parte de la ruta crítica del cronograma del proyecto. La infraestructura necesaria para perforar un pozo se conoce como "la configuración de perforación".

Es habitual que el progreso (la "velocidad de hundimiento") en la fase de hundimiento (es decir, excavación, soporte del terreno y revestimiento) de un proyecto de pozo siga una curva de aprendizaje a medida que el equipo del proyecto repite la misma serie de actividades una y otra vez en lo que se denomina "el ciclo de hundimiento", hasta llegar a acercarse a la velocidad máxima teórica para esa configuración de hundimiento con el tiempo. Es necesario el uso de perforadores de pozos experimentados para reducir la longitud de esta curva de aprendizaje y, por lo tanto, la duración del proyecto tanto como sea posible.

Las claves para el éxito de un proyecto de excavación de pozos son:

• Conseguir que los distintos componentes del sistema de hundimiento estén correctos e instalados en el momento adecuado.
• Contar con personas experimentadas involucradas desde el inicio más temprano posible del proyecto.
• Utilizar el tiempo disponible en el fondo del pozo de la forma más eficiente posible.

Aunque se pone un énfasis significativo en la velocidad de progreso de un ciclo de hundimiento de proyecto por parte de los perforadores de pozos, el hundimiento es solo una de varias fases en la construcción convencional de un nuevo pozo, como se detalla a continuación:

• Excavación en caja . Una excavación en caja es una gran excavación cuadrada o rectangular que se realiza normalmente con equipo de movimiento de tierras hasta llegar a la roca madre, dentro de la cual se construirá el collar del pozo. Es necesario transferir las cargas impuestas por el collar, el bastidor y la planta de elevación a la roca sólida para evitar hundimientos no planificados. Cuando la profundidad del lecho rocoso es demasiado grande para que una excavación en caja sea económicamente viable, o el lecho rocoso no es lo suficientemente fuerte, se pueden utilizar técnicas de ingeniería civil como muros diafragma o pilotes de hormigón para crear una cimentación profunda.
• Prehundimiento . El prehundimiento es la excavación y el soporte de los primeros 60 a 100 metros del cañón del pozo, que a menudo se completa con equipos más pequeños, como equipos de perforación neumáticos manuales para perforar agujeros para el hinca y el soporte del suelo y miniexcavadoras para el estiércol. Durante el prehundimiento, el estiércol y el equipo generalmente se realizan mediante una grúa móvil en la superficie. Es necesario hundir primero esta parte del pozo para que Galloway, una plataforma de trabajo de varios niveles, pueda instalarse con suficiente distancia vertical hasta el fondo del pozo para que no se dañe por las rocas que salen despedidas durante la voladura .
• Construcción del collar . Desde la parte inferior del corte en forma de caja, el collar del eje se construye de abajo hacia arriba en una serie planificada de vertidos de hormigón.
• Construcción e instalación de andamios (plataformas de hundimiento). Los andamios (también conocidos como plataformas de hundimiento o andamios) son plataformas de trabajo de varios niveles, suspendidas en el pozo mediante cabrestantes ubicados en la superficie. Los andamios permiten que los operarios trabajen de manera eficiente en diferentes niveles según lo requieran las diversas tareas del ciclo de hundimiento. Es típico que los andamios se construyan a un costado del pozo y se los baje hasta el prehundimiento con una grúa en el estado más completo posible. Una vez en su lugar, los andamios se "suspenden" del collar del pozo mientras se construye el bastidor superior, a menudo protegido por un mamparo.
• Construcción de la caseta de elevación y del polipasto. Una vez construido el collar y instalado el Galloway, se pueden construir la caseta de elevación y el polipasto (o enrollador) y se pueden instalar los cables del polipasto y del cabrestante. Los polipastos pueden ser de acero o de hormigón y su diseño determinará cómo se construyen. El Galloway se mueve en el pozo mediante cabrestantes, que se mueven lentamente y están clasificados para cargas significativas, mientras que los cangilones que se hunden (o kibbles) se mueven en el pozo mediante el polipasto que se hunde, que se mueve rápidamente y está clasificado para una carga menor que los cabrestantes. Para proteger el polipasto y los cabrestantes y la electrónica sensible que se utiliza para controlar su funcionamiento, normalmente se instalan dentro de una construcción llamada caseta de elevación (o enrollador).
• Puesta en servicio del equipo de hundimiento. A continuación, se debe poner en servicio el equipo de hundimiento para garantizar que todos los componentes funcionen según lo previsto.
• Hundir completamente . Las actividades del ciclo de hundimiento (excavación, instalación de soporte de tierra temporal, colocación del revestimiento del pozo y extensión de los servicios del pozo) se llevan a cabo en esta fase de la construcción. En un pozo en el que habrá múltiples niveles de trabajo, los excavadores desarrollarán estaciones de pozo y cabos de estación (pequeños tramos de un túnel horizontal que se aleja de la estación) en el camino hacia abajo. Como el equipo para excavar estas estaciones debe ser lo suficientemente pequeño como para pasar por las aberturas en Galloway, la tasa de avance en el desarrollo de los cabos de estación es típicamente baja, en comparación con lo que se puede lograr con equipo de minería de tamaño completo, por lo que los cabos de estación generalmente se mantienen lo más cortos posible.
• Equipamiento del pozo y cambio de bastidor. Una vez que el pozo alcanza la profundidad de diseño final, se le quitan los servicios temporales, se corta o modifica el Galloway para adaptarlo a la instalación del pozo permanente, se instalan los conjuntos de pozos (si es necesario) y se modifican el bastidor/bobinadores para permitir la elevación permanente. En esta etapa se instalarán todos los medios de transporte permanentes.
• Puesta en servicio de la instalación permanente. A continuación, se debe poner en servicio la instalación permanente para garantizar que todas las piezas funcionen según lo previsto antes de entregársela al nuevo propietario.

Al igual que con la profundidad y el diseño de los pozos, pueden existir variaciones significativas en esta secuencia según las condiciones locales. Por ejemplo, los pozos en el Escudo Canadiense generalmente no necesitan un collar de pozo profundo y complejo, ya que el lecho de roca es fuerte y está cerca de la superficie. Esto reduce la cantidad de tiempo necesario para establecer el collar de pozo.

Tradicionalmente, los contratistas de excavación construían un bastidor temporal para la instalación de excavación, que luego se desmantelaba para dejar lugar a un bastidor permanente. Con el aumento de la complejidad y la duración de los proyectos de excavación de pozos a lo largo del tiempo, se ha vuelto más común incorporar más de la instalación permanente del pozo en la fase de excavación. Esto da como resultado una duración total del proyecto reducida, como por ejemplo, si no es necesario quitar las tuberías de servicio utilizadas para excavar el pozo para dejar lugar a las tuberías permanentes.

Con los avances en la tecnología de perforación de chimeneas, se han utilizado perforadoras de chimeneas para crear un orificio piloto para la perforación de pozos, donde existe acceso en la parte inferior del nuevo pozo; en este caso, la fase de perforación se dedica a agrandar este orificio piloto hasta el diámetro completo (un proceso que generalmente se denomina "corte"). Esta metodología puede ser considerablemente más rápida que la perforación de frente completo, ya que el lodo (roca estéril) de la perforación cae por el orificio piloto y se maneja utilizando la infraestructura minera existente fuera de la ruta crítica.

• Pozos y túneles de minas abandonados
• Secciones del sombrero de copa