La Próxima Frontera de la Perforación Frontal

Los jumbos inteligentes, autónomos y libres de emisiones están a la orden del día bajo tierra. Equipo Minero investiga…

Por Carly Leonida, Editora Europea

Aunque la innovación siempre ha sido una prioridad en la perforación subterránea; una función que, literalmente, marca el ritmo del desarrollo y la producción en toda la explotación minera, la demanda de mayor seguridad, sostenibilidad y productividad ha hecho que los fabricantes de equipos originales intensifiquen sus esfuerzos de investigación y desarrollo (I+D) durante la última década.

Desde las funciones semiautónomas y totalmente autónomas que permiten completar el ciclo de perforación a distancia, hasta las versiones eléctricas a batería de los modelos favoritos de la industria e incluso la presentación de un vehículo prototipo sin cabina … nunca antes se habían presentado y aceptado tan rápidamente las nuevas tecnologías y capacidades. Y, en lugar de ralentizarse, este nuevo ritmo en la excelencia de la perforación parece que continuará en el futuro.

Equipo Minero solicitó a tres OEMs clave que compartieran sus últimos desarrollos y hacia dónde ven que se dirige la industria en el futuro. Johan Kempe, Director de Producto de Perforadoras Subterráneas de Komatsu, comenzó reflexionando sobre los cambios clave en el diseño y la funcionalidad de los jumbos que ha visto en los últimos 10 años.

“Los avances durante este tiempo incluyen motores diésel más limpios que cumplen la normativa Tier 4 Final / EURO 5, y la introducción gradual de equipos eléctricos a batería,” dijo a Equipo Minero. “También estamos viendo perforadoras de roca y perforadoras de galería de mayor potencia con intervalos de revisión prolongados; una reducción de las mangueras hidráulicas en los brazos, lo que mejora su fiabilidad; más sistemas de apoyo y capacidades diseñadas para mantener al personal seguro mientras opera estas máquinas; mayor uso de jumbos inteligentes controlados por bus CAN; y un mayor impulso para controles tipo asistencia y visión general del operador, incluyendo las operaciones semiautónomas y autónomas.”

El creciente uso de jumbos inteligentes permite un mayor grado de automatización. Kempe agregó que los operadores se inclinan cada vez más por máquinas totalmente autónomas que pueden realizar todo el trabajo con una intervención mínima del operador. Estos desarrollos están diseñados para reducir el ciclo inherente de parada y arranque de la minería experimentado predominantemente en el desarrollo subterráneo, mientras que al mismo tiempo reducen en gran medida las horas de exposición para el personal bajo tierra en las zonas de alto riesgo.

“Las perforadoras jumbo se están conectando ahora al ecosistema de la mina,” dijo. “Como tales, pueden desempeñar un papel importante a la hora de proporcionar información en vivo a los programas y controles de tronadura. Esto permite que varios explosivos y/o propiedades explosivas se adapten a las condiciones del terreno encontradas durante la perforación y esto ayuda a optimizar la fragmentación y limitar el sobre frenado.”

Komatsu Marcará el Comienzo de las Perforadoras Frontales de la Próxima Generación

Con la adopción de la automatización en la perforación frontal, la industria está comenzando a cosechar numerosas ventajas, principalmente centradas en dos áreas clave: la seguridad y la producción. El uso de funciones autónomas permite a los operadores alejarse de las áreas de alto riesgo o realizar tareas de alto riesgo desde un punto seguro, lo cual es de gran ayuda para la seguridad. En cuanto a la productividad, con las operaciones autónomas ahora es posible lograr hasta una ronda extra por turno, ya que los jumbos pueden prepararse y seguir perforando una ronda mientras los operadores se retiran del área de trabajo durante los cambios de turno y la tronadura.

Los sistemas de navegación de barrenos también están mejorando tanto la precisión como el rendimiento de la tronadura, incluida la longitud de tiro, el contorno y la eficiencia. Innovaciones como los sistemas de detección de proximidad e incluso los sistemas de control de acceso también están mejorando la seguridad y ayudando a eliminar los contactos no deseados con brazos y alimentadores en movimiento.

“Cada vez más minas están considerando también electrificar completamente sus flotas subterráneas,” dijo Kempe a Equipo Minero. “La próxima generación de perforadoras de Komatsu incluye versiones eléctricas a batería para cumplir con este requisito. Komatsu también está desarrollando jumbos y apernadoras más inteligentes con opciones de navegación de barrenos y automatización. Oímos que las minas tienen dificultades para encontrar y mantener operadores altamente calificados y experimentados. Por ello, las máquinas específicamente adecuadas para una rápida adopción y fuertemente orientadas a las capacidades de asistencia al operador serán clave para ayudar a los clientes con estos desafíos.”

Komatsu presentó su gama más pequeña de jumbos ZJ21 y apernadoras ZB21 en 2020 que, según Kempe, han demostrado un buen rendimiento y aceptación de parte de los clientes. Komatsu está desarrollando ahora una gama mediana de jumbos y apernadoras Z3 que será presentada el tercer trimestre de 2023. Estos incorporarán varias de las soluciones innovadoras descritas anteriormente.

“Creo que la electrificación y la automatización continuarán atrayendo más I+D en perforación frontal, aunque la mejora del rendimiento y la fiabilidad de las máquinas sigue siendo importante,” dijo Kempe sobre los futuros desarrollos. “Incluir el jumbo en el ecosistema de máquinas y sistemas inteligentes de una mina tiene beneficios sustanciales, ya que estas máquinas se pueden usar para recopilar y validar datos en tiempo real para muchas disciplinas, mientras realizan sus tareas diarias.

“Por ejemplo, los equipos de topografía, geotecnia y geología pueden beneficiarse de estos datos, así como el diseño de la mina, si los datos generados o validados por máquinas inteligentes se comparten en directo con el resto de la mina. De este modo, se pueden utilizar para optimizar varias funciones de apoyo casi instantáneamente. Esto es más eficaz que el método actual de enviar personal designado a cada galería para realizar validaciones y dar instrucciones al equipo de desarrollo. Las máquinas inteligentes pueden reducir en gran medida este tipo de esfuerzo.”

JH Fletcher Mejora su Oferta de Tecnología Inteligente

El último desarrollo de las perforadoras jumbo de JH Fletcher & Co es el sistema Fletchbus. Éste actúa como un centro inteligente para las operaciones de la máquina y la recopilación de datos; en otras palabras, el sistema proporciona un canal de comunicación entre el operador y la máquina, explicando al operador lo que la máquina está haciendo, y a la máquina lo que el operador quiere que haga. El sistema incorpora y perfecciona las funciones anteriores ofrecidas a través del sistema Graphic Operator Angle Display (GOAD) de Fletcher que se introdujo originalmente en 2007. Con este desarrollo, las operaciones que antes se realizaban manual e hidráulicamente ahora funcionan a través de sistemas hidráulicos accionados eléctricamente. Este perfeccionamiento se traduce en menos cables, lógica hidráulica, mangueras y válvulas.

Kayla Hurst, Coordinadora de Marketing de JH Fletcher & Co explicó: “Con el sistema Fletchbus, los clientes recibirán más funciones de enclavamiento, funciones de seguridad, diagnósticos, flexibilidad y un aumento del rendimiento. El sistema está equipado con una pantalla de inicio específica para la máquina. A través de esta pantalla, el operador puede realizar las funciones de la máquina y ver un panel de control activo para las estadísticas de la máquina. El operador también puede revisar esquemas, circuitos e información de retorno a través de la pantalla de inicio.

La función de Fletchbus que más se utiliza en los jumbos de perforación es la pantalla de perforación, la cual representa gráficamente el rendimiento de la perforación. El sistema controla automáticamente la perforación y ajusta los parámetros de perforación según las condiciones de los estratos y las rocas. Esto incluye la capacidad de limitar la velocidad de perforación al penetrar en capas de estratos contrastadas y ayuda a evitar la aceleración cuando se encuentran huecos y/o capas blandas.

“El sistema Fletchbus también ayuda a evitar fallas por inestabilidad de la rotación, problemas derivados de los huecos y aceros atascados,” agregó Hurst. “Todas estas funciones de perforación se muestran simultáneamente en la pantalla de perforación, lo que permite al operador monitorear las operaciones de la máquina.”

GOAD se ofrece como una opción en todas las Perforadoras Jumbos de Fletcher. El sistema está disponible en diferentes niveles, dependiendo de las necesidades del cliente. Cada sistema utiliza sensores en el brazo y mecanismos de alimentación que muestran los ángulos de los orificios y la profundidad de perforación en un monitor ubicado en la cabina. Esto garantiza una alineación precisa del brazo y del avance para la colocación y dirección precisas de los orificios.

El sistema está diseñado para su uso tanto con patrones de quemado como con patrones de corte en V. En las operaciones que utilizan patrones de quemado, la ronda de perforación se puede optimizar o perforar rondas más largas debido a la mayor precisión. En las operaciones que utilizan patrones de corte en V con profundidades de orificio variables, el sistema calcula automáticamente la profundidad adecuada para un frente de tronadura plano y retrae la perforadora de roca cuando se alcanza la profundidad calculada correcta. En funcionamiento, el sistema GOAD ha mejorado en un 30% los tonelajes tronados, además de ahorrar combustible, agentes de tronadura, acero de perforación y brocas de manera significativa.

El equipo de Fletcher también le dijo a Equipo Minero que actualmente se está desarrollando una versión mejorada de GOAD. Esta versión ampliará la actual función Multi-Plane Assist y el hardware del sistema para incluir Automatic Drill Entry. El sistema determinará la ubicación de la máquina tomando como referencia las marcas topográficas. Luego, la máquina orientará el patrón de perforación de forma que se mantenga la entrada a lo largo de la dirección predeterminada indicada en el plan de la mina.

Los datos del sistema de reconocimiento espacial también se incorporarán a un nuevo sistema anticolisión. Mediante la aplicación de algoritmos a las funciones de la máquina, se evitará que ésta colisione con su entorno.

“El objetivo de este sistema es permitir movimientos automatizados del brazo para calcular el posicionamiento de la perforadora cerca de la superficie de la roca sin dañar el avance, lo que suele ocurrir en las operaciones manuales,” explicó Hurst. “El posicionamiento automatizado coordina las articulaciones de un brazo de modo que pueda posicionarse y orientarse automáticamente para un proceso de empernado y/o perforación. Esto requiere un control cinemático de mayor nivel que no es común en las máquinas mineras subterráneas, convirtiendo básicamente las plumas en brazos robóticos.”

Sandvik se Enfoca en la Seguridad y la Productividad

Las funciones autónomas y habilitadas de forma inteligente también han sido una prioridad para la investigación y el desarrollo en Sandvik. La introducción de los equipos de perforación subterráneos de la serie i de la empresa ha aportado una serie de ventajas que el equipo ahora considera características estándar.

“Las unidades de la serie i simplifican el proceso de perforación, y el diseño mejorado de la cabina ofrece un nivel de comodidad para el operador que no se ve en los equipos de perforación tradicionales, como más espacio, menos ruido, interfaces (pantallas) más grandes y una mejor ergonomía,” dijo Jari Talasniemi, gerente de producto de perforación de desarrollo de Sandvik Mining and Rock Solutions. “Los equipos de la serie i también comparten elementos comunes en su plataforma y piezas de repuesto, lo que mejora la capacidad de servicio, el diagnóstico y la resolución de problemas.”

Las herramientas integrales de planificación, información y análisis de la perforación ayudan a lograr resultados de alta calidad en la perforación y tronadura con mayor precisión y máxima extracción por tronadura. La conectividad con los productos digitales de Sandvik para perforadoras subterráneas, como el software de planificación de perforación iSURE y la aplicación DrillConnect, garantizan el uso y el análisis de datos de extremo a extremo.

La automatización del proceso de perforación es fundamental para mejorar la productividad y la seguridad, y Sandvik ha introducido varias funciones automatizadas en toda la gama de la serie i, como la perforación automática y los movimientos del brazo basados en el plan de perforación, los informes de perforación y la tecnología para evitar colisiones del brazo. El sistema inteligente de control de perforación con torque optimizado minimiza la desviación del orificio durante la perforación, reduce el atascamiento, reduce la sobre rotura y maximiza la vida útil de la herramienta de los adaptadores de espiga y los aceros de perforación.

La operación automatizada está respaldada por la perforación teleremota, incluyendo el control de flota teleremoto. Una estación de control remoto ligera y compacta permite operar las perforadoras a distancia desde una sala de control y permite al operador perforar durante los cambios de turno y durante las horas de ventilación cuando el acceso a la mina está restringido. El cambiador de brocas semiautomático patentado por Sandvik permite cambiar las brocas desde un lugar seguro, lo que mejora la productividad y reduce el riesgo de exposición del personal a las condiciones peligrosas del terreno. El sistema anticolisión del brazo Sandvik garantiza la fiabilidad de los movimientos automáticos del brazo al desviarlo automáticamente cuando se detecta una posible colisión.

Sandvik también planea integrar sus actuales funciones de perforación teleremotas en el sistema AutoMine para equipos subterráneos, con el fin de disponer de un control total de la flota y del tráfico.

Además de las perforadoras más inteligentes, la industria ha dado un fuerte impulso hacia las operaciones más sostenibles, y Sandvik ha introducido una gama completa de vehículos eléctricos a batería con cero emisiones para todas las aplicaciones de perforación subterránea. Rana Gruber, en Noruega, tiene como objetivo operar libre de emisiones para 2025 y, en 2023, la minera de mineral de hierro se comprometió con una flota de equipos BEV de Sandvik, incluidos dos jumbos Sandvik DD422iE, además de otras seis unidades BEV para perforación y empernado de barrenación larga.

La versatilidad en las aplicaciones de perforación es una carta de atracción para muchas operaciones, y el Sandvik DD322i es una opción atractiva para los clientes que buscan una perforadora de doble brazo de tamaño compacto tanto para aplicaciones de minería como tunelización. Presentada en diciembre de 2022, el DD322i es adecuado para cabezales pequeños, esquinas e intersecciones cerradas sin comprometer la cobertura de perforación. El nuevo modelo cuenta con un diseño de cabina actualizado y de perfil bajo con mayor visibilidad (+55% de área de ventana), además de características como el control del brazo mientras se desplaza (BCWT) y el nuevo diseño del brazo tiene dos protecciones antivuelco para mayor flexibilidad durante la perforación de cortes transversales y de tiros para pernos.

La capacitación de operadores para la perforación de desarrollo ahora es más fácil con la gama de simuladores de capacitación Digital Driller de Sandvik. Los operadores pueden capacitarse y perfeccionarse en un entorno virtual realista sin la necesidad de retirar la perforadora de las operaciones, y sin riesgo de dañar el equipo. Los nuevos modelos de 2022 incluyeron la opción de controles duales para el DD422i y DD422iE, la cual permite el uso rápido y multipropósito del equipo para la perforación frontal y el apoyo en tierra utilizando un solo equipo. El simulador de capacitación DD322i Digital Driller también se lanzará en 2023.

Talasniemi reconoció que las minas también son cada vez más estrechas y profundas, y con ello vienen temperaturas más altas que requieren soluciones específicas. “Sandvik dispone ahora de paquetes de alta temperatura para sus jumbos que amplían su rango de uso hasta 40°C y tiene previsto introducir paquetes para condiciones superiores a 50°C,” agregó.

Poniendo a Prueba a Amelia

La navegación basada en el escaneo en tiempo real es otra tecnología prioritaria para muchas minas. Sandvik presentó su concepto para esta tecnología en septiembre de 2022 cuando presentó ‘Amelia,’ el concepto de perforación subterránea AutoMine Concept Underground Drill, en un evento para clientes en Finlandia. Las futuras soluciones de escaneo para la perforación subterránea incluirán sensores a bordo y serían compatibles con la solución de mapeo AutoMine Mapping Solution recientemente introducida, la cual permite a un vehículo registrar de forma segura un entorno subterráneo 3D y convertir mapas 3D a 2D.

Amelia es un equipo de perforación de desarrollo de doble brazo totalmente autónomo capaz de perforar sin interacción humana. Esta perforadora eléctrica a batería sin cabina puede planificar y ejecutar todo el ciclo de perforación desde el desplazamiento hasta el frente, la preparación para la perforación, el patrón de perforación y el regreso para recargarse para el próximo ciclo. Muchas de estas características, que se demostraron en su evento de lanzamiento, se encuentran ahora en varias fases de prueba.

En otros desarrollos futuros, Sandvik continúa trabajando en funciones que mantienen a las personas alejadas del frente, datos sobre el estado de los equipos para el mantenimiento predictivo, equipos más pequeños y rentables y una mayor automatización para lograr entornos de trabajo más seguros y una mayor productividad. Los lectores también pueden esperar las capacidades de perforación en seco para los jumbos Sandvik y las perforadoras de producción que llegarán a finales de este año.