Tipos de Explotaciones en Rocas Ornamentales

En la actualidad, la extracción de rocas ornamentales se desarrolla tanto en explotaciones a cielo abierto como en subterráneas.

Canteras en Foso sobre Terrenos Llanos

Las canteras en foso son las más frecuentes por su versatilidad y se caracterizan por tener rampas de acceso construidas con materiales estériles que conectan los diferentes niveles de extracción. Dentro de las canteras en foso, se distinguen dos tipos:

1. Las canteras en foso y extracción por grúas, que son explotaciones totalmente confinadas por taludes laterales verticales o subverticales donde la extracción de bloques y estériles se realiza con grúas.
2. Las canteras en foso y rampas de acceso construidas con materiales estériles, que son explotaciones en las que el acceso del personal se realiza por medio de escalas ancladas en los paramentos. Se extrae el material comenzando por los niveles inferiores o alcanzando la situación final en los bancos superiores.

En ambos casos se profundiza verticalmente.

Canteras de Nivelación en Terrenos Montañosos

Están construidas en lo alto de cerros o promontorios naturales, lo que implica la nivelación del terreno original mediante la extracción de materiales y el relleno de vaguadas con los estériles producidos.

Canteras Subterráneas

Utilizan el método de explotación de cámaras y pilares, iniciando labores desde la plaza de cantera exterior y abriendo una galería en la dirección de explotación. Dejando los pilares necesarios, se abre el hueco inicial y se explota en profundidad con herramientas clásicas.

Técnicas de Corte de Bloques en Cantera

Secuencia de Extracción de Bloques

El proceso de extracción de rocas ornamentales, como mármoles y granitos, implica la separación inicial de un bloque primario del macizo rocoso. Este bloque se somete a sucesivas etapas de subdivisión hasta obtener dimensiones manejables para el corte y aserrado en el taller. Las dimensiones finales de los bloques vendibles varían, siendo más apreciados y mejor pagados los de mayor tamaño, mejor escuadrado y acabado de caras. Estos bloques pueden alcanzar volúmenes de 6 m³ y hasta 20 toneladas de peso, lo que los convierte en productos comercializables y exportables a grandes distancias, alcanzando en ocasiones cifras millonarias.

Clasificación de las Técnicas de Arranque Disponibles

La fase primaria de separación en la extracción de rocas ornamentales depende de factores geológicos como la estructura, estratificación y diaclasamiento, que deben conocerse mediante estudios geomecánicos para orientar la secuencia de arranque.

La selección de equipos de corte se basa en propiedades geomecánicas como resistencia a la compresión, dureza, tenacidad y porosidad, así como en factores mineralógicos como abrasividad, tamaño de grano y envejecimiento. La abrasividad es un factor clave en la elección del sistema de corte más adecuado, aunque para rocas poco abrasivas como mármoles y calizas puede haber comportamientos negativos con herramientas diamantadas. Las diferentes técnicas de arranque de rocas ornamentales suelen coexistir dentro de una misma explotación, buscando minimizar costes y optimizar el acabado. Las técnicas más utilizadas son el corte por perforación de barrenos próximos, con y sin voladura, y los métodos mecánicos como hilo diamantado, rozadoras de brazo, disco, chorro de agua y cuñas manuales e hidráulicas. Algunas técnicas, como el corte con hilo helicoidal y la lanza térmica, están actualmente obsoletas o en uso esporádico.

Técnicas de Corte por Perforación de Barrenos Próximos (Con y Sin Voladura)

La técnica consiste en abrir barrenos cercanos y paralelos para cortar la roca mediante presión hidráulica, mecánica o explosivos. Se utiliza principalmente en rocas duras como el granito, pero también en otras rocas ornamentales. El proceso comienza con la separación de un gran bloque inicial hasta obtener el producto vendible. La mecanización ha aumentado gracias a la sustitución de la perforación neumática por la hidráulica, lo que permite controlar varias perforadoras en paralelo y automatizar los brazos. Esto mejora la productividad, reduce el consumo de energía y el impacto ambiental. Las fases del procedimiento son:

Fase 1: Independización del Bloque Primario

La primera fase de la extracción de bloques de roca consiste en independizar un gran bloque de la masa rocosa, con un volumen que puede variar entre los 100 y los 4.000 metros cúbicos.

Para ello, se crean dos caras libres en los laterales del bloque, ya sea a partir de diaclasas naturales o mediante la perforación de barrenos casi secantes entre sí. Posteriormente, se realiza la perforación vertical sobre los planos posterior y horizontal en la base del bloque, con barrenos de pequeño diámetro y separaciones variables según la resistencia de la roca. La rotura entre barrenos se puede realizar mediante explosivos débiles con cargas conformadas, cordón detonante de bajo gramaje o cuñas de accionamiento hidráulico. Unos rendimientos de las operaciones que se pueden esperar como normales con los modernos equipos hidráulicos pueden ser los siguientes:

El rendimiento específico de la perforación oscila entre unos 2 y 7 ml/m³ del material rocoso a obtener.

Fase 2: Subdivisión de Bloques en Cantera

La segunda etapa de la extracción de bloques de granito consiste en la subdivisión de los bloques en tamaños más pequeños mientras aún permanecen en la cantera. Los parámetros de perforación son similares a los de la primera etapa, pero las fases sucesivas de división implican una mejor calidad en la terminación de las caras.

Por lo tanto, se recomienda utilizar los valores más pequeños dentro del rango de diámetros y espaciado entre barrenos. El volumen de los bloques resultantes de esta fase oscila entre los 18 y los 100 metros cúbicos. Los rendimientos normales de perforación son los siguientes:

• Rendimiento horario: 7 m
• Rendimiento específico: 5 ml/m³

La rotura entre los barrenos se puede realizar mediante explosivos débiles como la pólvora negra o el cordón detonante, o mediante cuñas hidráulicas. El bloque debe volcarse sobre el piso de la cantera, donde se puede disponer de un lecho de arena o un colchón de aire hinchable para amortiguar la caída. Los sistemas más empleados para volcar el bloque son:

• Tracción mediante cabrestante o grúa torre.
• Empujadores hidráulicos en el plano posterior.
• Carga de pólvora en el plano posterior.
• Extracción con palas y/o carretillas elevadoras con un acoplamiento idóneo.

Fases 3 y 4: Fragmentación Final para Comercialización

En esta etapa, el bloque extraíble debe subdividirse en dimensiones más manejables para los equipos de la cantera, con volúmenes máximos de hasta 10 m³ para su fácil manejo y transporte posterior al taller. Los diámetros de perforación recomendables son de unos 25 – 27 mm. Los rendimientos en esta etapa son:

• Rendimiento horario: 5 m²/h
• Rendimiento específico: 3 – 15 ml/m³

En la fase de rotura de los barrenos se utilizan cuñas manuales o hidráulicas para obtener bloques de dimensiones adecuadas para su comercialización. La calidad del acabado depende de la alineación de la perforación y la separación de los barrenos. Las técnicas de voladura requieren distribuir la energía del explosivo en el plano de fractura para evitar tensiones que induzcan la fracturación de la roca. El éxito de la voladura se traduce en precisión geométrica del bloque y daños mínimos a este y a la roca remanente. Depende del esquema de perforación, la calidad de los barrenos y las cargas de explosivo.

Corte con Hilo Diamantado

Los avances en la tecnología de corte han introducido el hilo diamantado, que permite rendimientos de corte muy superiores con menores longitudes de cable en operación y una calidad de acabado similar al hilo helicoidal tradicional. Los equipos modernos de hilo diamantado están compuestos por un grupo motor con accionamiento eléctrico y potencia entre 30-50 CV, un conjunto guiador con dos carriles o vías sobre los que se desliza el sistema de accionamiento, y sistemas automáticos de control electrónico de arranque, velocidad y tensión del cable, y de paradas por rotura o final de carrera. Las velocidades lineales del cable se encuentran en la gama de 0-40 m/s, para unas longitudes normales en operación inferiores a 60 m. El hilo diamantado consiste en un cable de acero inoxidable que lleva engarzados, a modo de cuentas de rosario, unos insertos diamantados de forma cilíndrica, con separadores constituidos por muelles, y cuya disposición se ajusta como muestra la figura.

Las características básicas de un cable diamantado son:

Los rendimientos horarios de corte y vida del cable son función de las características de la roca y se mueven en la gama siguiente de valores:

Rozadoras de Brazo

Este sistema de arranque de rocas ornamentales se aplica en macizos rocosos de dureza media a baja y bajo contenido de cuarzo. Es altamente mecanizable, pero requiere alturas de banco limitadas y está condicionado por las discontinuidades naturales y el tamaño de los bloques vendibles. Permite obtener bloques finales desde el principio, eliminando fases de subdivisión y aumentando la recuperación de tamaños comerciales. Su desarrollo se debe a avances tecnológicos en penetración de rocas y nuevos materiales de corte. Se utiliza en canteras a cielo abierto y explotaciones subterráneas. En Francia, la minería subterránea de pizarras es muy mecanizada y precisa, mientras que en El Barco de Valdeorras (Ourense) se realizan ensayos para mejorar costos y rendimiento de extracción de pizarra vendible, incluyendo pruebas con máquinas exfoliadoras en un sistema continuo de corte con chorro de agua.

La rozadora es una máquina utilizada para cortar bloques de piedra en canteras y talleres de corte y aserrado. Consta de un brazo móvil y orientable accionado electro-hidráulicamente, sobre el que se desplaza una cadena con picas de carburo de tungsteno o plaquitas diamantadas. El brazo puede realizar cortes verticales y horizontales, con una longitud variable entre 1,5 y 3 metros. La cadena se desplaza sobre el perímetro del brazo a velocidades lineales de entre 0,4 y 1,4 metros por segundo, con una anchura de corte de 4 centímetros. El sistema de operación de la rozadora permite obtener directamente un bloque comercial en base a la dimensión del brazo. Los rendimientos horarios de corte con esta técnica están comprendidos entre 4 y 10 metros cuadrados por hora para las rocas de resistencia a la compresión inferior a 100 MPa y con abrasividades medias a bajas.

Equipos de Corte con Disco

Este sistema permite obtener bloques sin necesidad de recurrir a etapas de división y acabado, pero tiene limitaciones en la profundidad del corte y el tamaño de los bloques obtenidos. Por lo tanto, requiere un diseño previo ajustado de los bancos de trabajo. El equipo de corte con disco es el más favorable económica y técnicamente por su simplicidad y menor consumo energético, pero sus limitaciones, como la necesidad de amplias plataformas y una inclinación menor a 10 grados, restringen su uso en canteras. Se utiliza principalmente en talleres de aserrado y es adecuado para mármoles, piedras calizas, pizarras para cubiertas y losas de pizarra y arenisca. El equipo consiste en un disco giratorio cortador con segmentos diamantados montado sobre un carretón móvil que se desplaza paralelamente sobre carriles. Las características básicas de los equipos varían según la dirección de los cortes y la abrasividad de la roca.

La calidad de acabado de las caras del bloque es excelente, sin necesidad de escuadrados finales. Los rendimientos de corte pueden variar entre 5 y 8 m²/h. Existen equipos con multibrazos que permiten realizar 2 o 3 cortes simultáneamente, incluso uno vertical y otro horizontal al mismo tiempo y con un solo operador, lo cual puede y debe aumentar la productividad.

Corte con Chorro de Agua

El equipo utilizado consiste en una pequeña central hidráulica accionada por un motor eléctrico, acoplada a una bomba hidráulica de alta presión que acciona un intensificador de presión. El intensificador de presión, que es la base del sistema, alcanza las elevadas presiones de trabajo necesarias mediante la diferencia relativa de superficies activas del pistón. El mecanismo de rotura de la roca se produce por el choque del finísimo chorro de agua a muy alta presión y las microfracturas creadas en consecuencia. A una velocidad de 300 m/s, la presión creada es del orden de 150 MPa, superior a la resistencia a la compresión de muchas rocas. Con velocidades de 500 m/s, se pueden alcanzar valores de 300 MPa, superiores a la resistencia de la mayoría de los materiales rocosos. Los datos operativos alcanzados con equipos en prueba han sido los siguientes:

Utilización de Cuñas Manuales e Hidráulicas

La técnica clásica de corte de bloques de mármol y granito, utilizada desde la antigua Grecia, consiste en aprovechar grietas y fisuras naturales o direcciones preferenciales de fracturación para introducir cuñas de acero en taladros perforados. Al golpear las cuñas con un mazo, se genera una tensión que provoca la rotura del bloque por tracción. Entre las cuñas manuales se encuentran las cuñas de tipo ‘pinchote’, formadas por tres elementos (la cuña y dos pletinas metálicas) que se golpean repetidamente para generar tensión, y las cuñas de tipo ‘tirafondo’, indicadas para bloques de gran altura o con dificultades de separación, que se introducen a cierta profundidad para generar esfuerzos de tracción más allá de la superficie.

Las cuñas hidráulicas se componen de una bomba hidráulica de alta presión y varios cilindros hidráulicos unidos a la bomba mediante mangueras flexibles. Cada cilindro consta de un gato hidráulico de doble efecto que funciona a una presión máxima de 50 MPa y un conjunto cuña-contracuña en su parte inferior. El vástago del pistón empuja con fuerza a la cuña que se encuentra entre las dos contracuñas.

Existen dos tipos de cuñas hidráulicas:

1. El tipo estándar, con un ángulo muy agudo, para rocas más duras y que proporcionan una separación relativamente pequeña pero con una alta fuerza de rotura.
2. El tipo destinado a rocas medias, con un ángulo obtuso, que proporciona una separación mayor con una fuerza lateral proporcionalmente más pequeña.