ESTRUTURA DE PERFURAÇÃO PARA CORTE DE UMA MASSA DE ROCHA E APARELHO QUE A CONTÉM

A presente invenção enquadra-se na área das estruturas e aparelhos de perfuração, como uma máquina de perfuração, mais particularmente, a uma máquina de perfuração com martelos de superfície, ainda mais particularmente a uma máquina de perfuração com martelos de superfície para o corte de massas de rocha para obtenção de blocos com medidas dimensionais.

Nos últimos anos, a evolução e adaptação de novas tecnologias nas pedreiras tem sido considerável e têm contribuído para a redução de custos e impactos ambientais e aumento da segurança. A Rocha Dimensional, ou "Dimensional Stone Drilling", com medidas e formatos comummente aceites no mercado, é obtida por meio de máquinas de corte em que o meio de corte pode ser por fio diamantado ou por perfuração, as quais são utilizadas nas operações de desmonte de uma pedreira, em particular nas operações de corte. Para melhor enquadramento refere-se que as operações de desmonte de uma pedreira são: a) perfuração: consiste na execução de furos horizontais e verticais para delimitação da massa a desmontar e por onde passará um fio diamantado, fase que poderá não existir, se for executada diretamente a fase b); b) primeiro corte: execução de cortes longitudinais, transversais, horizontais e verticais, individualizando massas rochosas (blocos) com máquinas de corte por fio diamantado ou tipo serrote mecânico; c) derrube: Após a individualização das massas rochosas, procede-se ao seu derrube em talhadas; d) segundo corte: Uma vez derrubadas da frente de corte, as talhadas, ou grandes massas de rocha, são individualizadas em blocos de dimensão transportáveis, recorrendo a máquinas estacionárias de corte por fio diamantado ou máquinas estacionárias de perfuração pneumáticas ou hidráulicas.

A presente invenção poderá adequar-se à operação d) acima indicada, de segundo corte, que permita uma adequação às necessidades atuais, com tecnologias adequadas, com mais produtividade, em particular uma máquina de perfuração com martelos de superfície para o corte de massas de rocha para obtenção de blocos com medidas dimensionais com a capacidade de se ajustar aos parâmetros de funcionamento dos martelos e das características intrínsecas das massas de rocha garantindo assim mais produtividade e eficácia/eficiência geral do sistema.

Foram identificadas as seguintes divulgações anteriores que apresentam diversas limitações, e que consistem em documentos de patente:

• o documento de patente norte americano US5437341 divulga um sistema de perfuração múltiplo com dois martelos, apresentando um espaçamento entre martelos demasiado elevado para que construtivamente se possa ter sistemas de guiamento de movimentação individuais, não permitindo compensação entre martelos perfuração, e apresentando um n^ de componentes elevado, aumentando desta forma o acionamento e os custos de construção;

• o documento de patente português PT106115, o qual divulga um sistema de perfuração composto por uma estrutura de suporte que concentra três martelos mecanicamente ligados, apresentando perdas de rendimento, sendo que a performance de perfuração poderá ser maior em cada martelo, levando a que, para um dado martelo, e a vara de perfuração e esse mesmo martelo entrem em esforço quando os outros dois martelos apresentam uma maior taxa de penetração na rocha; de forma relacionada, quando existem descontinuidades ou diferenças de qualidade na massa de rocha, essa secção da rocha vai afetar a performance da vara e consequentemente do martelo associado; o que poderá levar, a prazo, à falha prematura dos martelos, à falha prematura das varas de perfuração, ou a desvios na perfuração (diferenças causadas pelas diferentes forças de avanço de cada martelo).

A presente invenção vem endereçar os diversos inconvenientes acima descritos.

SUMÁRIO DA INVENÇÃO

É objetivo da presente invenção dotar máquinas de perfuração com martelos de superfície com a capacidade de operar seletivamente as secções de massa de rocha que se encontram a perfurar. Tal poderá configurar um sistema de ajuste à massa de rocha, por exemplo com ajuste da potência de perfuração de cada martelo, promovendo as seguintes vantagens perante o estado da técnica:

• a capacidade de controlar a potência de perfuração (força de avanço, rotação e precursão) para obter ganhos de rendimento e performance geral;

• aumentar a performance geral particularmente quando existem descontinuidades ou diferentes características morfológicas na massa de rocha, pois essa seção da rocha vai afetar a performance da vara e consequentemente do martelo que perfura nessa seção;

• eliminar falha prematura dos martelos;

• eliminar falha prematura das varas de perfuração; • eliminar desvios na perfuração (diferenças causadas pelas diferentes forças de avanço de cada martelo);

• no caso de bloqueio da vara de perfuração permite parar aquele martelo temporariamente, inverter-lhe a rotação temporariamente e voltar a perfurar.

No caso acima referido em que existem descontinuidades ou diferentes características morfológicas na massa de rocha, é possível que, à medida que a vara vai perfurando, encontre durezas díspares na massa de rocha nos diversos martelos, que causam variações no rendimento. Isto poderá ser problemático, quando vários martelos se encontram trabalhar lado a lado, pois podem estar a trabalhar em secções de material distintas, que poderão apresentar durezas diferentes, como referido. Esta questão é particularmente relevante, pois um material mais duro leva assim a um menor rendimento de perfuração, uma vez que tal poderá levar a atrasos entre os vários martelos, verificando-se um atraso num martelo que encontre uma secção de rocha mais dura.

Assim, é objeto da presente invenção uma estrutura de perfuração para corte de uma massa de rocha compreendendo uma estrutura de suporte, meios de acionamento acoplados à estrutura de suporte, e pelo menos dois martelos de superfície acionáveis pelos meios de acionamento, a estrutura estando configurada para que cada um dos dois (ou mais) martelos de superfície seja acionável e assim movimentável independentemente do outro martelo de superfície. A estrutura, ao compreender meios de acionamento e estando configurada para que cada um dos dois martelos de superfície seja acionável e assim movimentável independentemente do outro martelo de superfície, possibilita obter as vantagens acima referidas, em particular permitindo ajustar a operação de cada martelo. Para além das vantagens acima referidas em relação a secções de rocha de diferentes durezas, o controlo independente dos martelos da estrutura da presente invenção permite igualmente endereçar situações de baixo desempenho de um ou mais dos martelos em relação aos restantes, ajustando a operação dos vários martelos de forma a que - também neste caso - não se verifiquem atrasos entre si.

Os martelos de superfície são adequados para perfurar massas de rocha. A estrutura de suporte configura uma base física na qual diversos elementos, como os meios de acionamento, que movimentam os martelos de superfície, são acoplados. Num modo preferido, a estrutura de perfuração da presente invenção compreende mais do que dois martelos, opcionalmente três a seis martelos, mais preferencialmente três martelos.

É igualmente objeto da presente invenção um aparelho de perfuração para corte de massas de rocha compreendendo a estrutura de perfuração da presente invenção, tal como descrita em qualquer um dos seus modos de realização, uma torre e segundos meios de acionamento, a torre estando disposta paralelamente a uma direção de movimentação dos martelos e acoplada à estrutura de perfuração, os segundos meios de acionamento estando configurados para movimentar a estrutura de perfuração ao longo da torre.

Num modo de realização do aparelho da presente invenção, o aparelho de perfuração compreende adicionalmente terceiros meios de acionamento, os terceiros meios de acionamento estando configurados para mover a estrutura de perfuração perpendicularmente a uma direção de movimentação dos martelos. Trata- se da implementação da estrutura de perfuração, que consiste num elemento modular, num aparelho de perfuração, com as referidas máquinas de perfuração com martelos de superfície. Os terceiros meios de acionamento permitem a movimentação da estrutura de perfuração, e portanto um ajuste horizontal da sua posição.

(1) torre vertical; (2) estrutura de suporte;

(3) guias verticais;

(4) mecanismo de acionamento vertical do martelo (6);

(5) suporte de ligação do martelo (6) com mecanismo de acionamento vertical (4);

(6) martelo;

(7) guia da estrutura de suporte (2) na torre vertical (1);

(8) molas.

Figura 1 - Representação frontal do aparelho da presente invenção, realçando a torre vertical (1) e a estrutura de suporte (2) que faz parte da estrutura de perfuração (100).

Figura 2 - Representação de topo da estrutura de perfuração (100), incluindo a estrutura de suporte (2), e na qual é possível visualizar três martelos (6), que se movem verticalmente pelas respetivas guias (3), sendo esse movimento acionável pelos mecanismos de acionamento (4), estes mecanismos de acionamento (4) estando conectados a cada um dos martelos (6) através dos respetivos elementos de ligação (5).

Figura 3 - Representação em detalhe e interior, e em perspetiva, da estrutura de perfuração, apresentando a estrutura de suporte (2) e um martelo (6), o qual é conectável a um mecanismo de acionamento (4) através de um elemento de ligação (5). O martelo (6) tem o seu movimento (dito vertical) solidário com pelo menos um elemento de ligação (5) que por sua vez se movem ao longo de duas guias (3). Adicionalmente, a estrutura de suporte (2) é movimentável ao longo de uma guia da estrutura de suporte (7) por sua vez acoplada à torre (1).

Figura 4 - Representação em corte da figura 3, na qual, para além de todos os componentes visualizados na figura 3 se representam as molas (8). Figura 5 - Representação da operação do controlador, incluindo os parâmetros de leitura, que incluem dados obtidos e disponibilizados ao controlador, e parâmetros de controlo, os parâmetros de controlo incluindo os parâmetros de operação/movimentação de cada martelo (6) que o controlador controla independentemente dos restantes martelos (6).

As configurações mais gerais da presente invenção são descritas no Sumário da invenção. Tais configurações são detalhadas abaixo de acordo com outros modos de realização vantajosos e/ou preferenciais de implementação da presente invenção.

Num modo vantajoso da estrutura de perfuração (100) da presente invenção, os meios de acionamento compreendem pelo menos um conjunto de acionamento associado a cada martelo (6), cada conjunto de acionamento compreendendo:

- um mecanismo de acionamento (4),

- pelo menos um elemento de ligação (5), e

- um par de guias dos martelos (3), as guias (3) sendo paralelas entre si, e em que os conjuntos de acionamento se encontram alinhados entre si, de tal forma que o movimento de cada um dos martelos (6) é paralelo aos dos restantes martelos (6), e cada elemento de ligação (5):

- sendo movimentável pelo mecanismo de acionamento (4) ao longo das guias dos martelos (3), e

- estando acoplado a um martelo (6), o martelo movimentando-se solidariamente com o respetivo elemento de ligação (5).

Os diversos elementos desta configuração melhorada da estrutura de perfuração da presente invenção são no modo de realização mais específico apresentado nas figuras 2 a 4. Os conjuntos de acionamento compreendem diversos elementos que permitem, numa construção simples mas eficiente, controlar cada um dos martelos (6) de forma independente. Os conjuntos de acionamento encontram-se alinhados entre si, de tal forma que o movimento de cada um dos martelos (6) é paralelo aos dos restantes martelos (6). Cada par de guias dos martelos (6) promove este movimento paralelo, sendo estas que garantem o movimento alinhado dos elementos de ligação (5) e, consequentemente, dos martelos (6), pois os elementos de ligação (5) são movimentados pelo mecanismo de acionamento ao longo das guias (3) e estão acoplados a um martelo (6) que assim se move solidariamente com o respetivo elemento de ligação (5). Cada elemento de ligação (5) encontra-se acoplado ao respetivo mecanismo de acionamento, que o faz movimentar ao longo das guias (3). Adicionalmente, o elemento de ligação (5) encontra-se por outro lado acoplado ao respetivo martelo (6), fazendo-o assim movimentar-se. Preferencialmente, tratando-se de um modo de realização que simplifica eficazmente a construção da estrutura de perfuração (100), os mecanismos de acionamento (4), o elemento de ligação (5) (pelo menos um) e os pares de guias dos martelos (3) encontram-se dispostos num mesmo primeiro plano, esse primeiro plano sendo paralelo a um segundo plano formado por uma base da estrutura de suporte (2). Tal garante um alinhamento adequado entre os diversos elementos.

Preferencialmente, a estrutura de suporte (2) compreende duas secções paralelas entre si e perpendiculares à base da estrutura de suporte (2), as referidas guias (3) e o referido mecanismo de acionamento (4) estando acoplados às referidas secções paralelas entre si da estrutura de base (2). Tal permite um acoplamento eficaz entre a estrutura de suporte (2), as guias (3) e o mecanismo de acionamento (4), elementos que requerem uma fixação mecânica adequado, ao promoverem o movimento dos elementos de ligação (5) e martelos (6).

Num modo vantajoso da estrutura de perfuração (100), esta compreende adicionalmente pelo menos um controlador configurado para controlar os meios de acionamento. O controlador poderá estar instalado na estrutura de suporte (2) ou num outro equipamento, separado desta, encontrando-se ligado aos meios de acionamento através meios de comunicação cablados ou sem fios.

Num aspeto vantajoso da estrutura de perfuração, o controlador está configurado para ajustar o alinhamento de pelo menos um dos martelos (6) com um ou mais dos restantes martelos (6), com base em dados de movimentação dos martelos (6). Esta solução possibilita endereçar situações em que um dos martelos encontre uma secção de rocha de dureza distinta em relação aos restantes, ou situações de baixo desempenho de um ou mais dos martelos (6) em relação aos restantes, ajustando a operação dos vários martelos (6) de forma a que - também neste caso - não se verifiquem atrasos entre si.

Num aspeto inventivo, o controlador está adicionalmente configurado para implementar uma movimentação de cada um dos martelos (6) dependente de pelo menos um parâmetro associado à massa de rocha a perfurar. Tal permite uma adequação, com base em informação específica da massa de rocha a perfurar, dos parâmetros de movimentação, assim tirando total partido da capacidade de movimentação independente de cada um dos martelos (6) da estrutura de perfuração (100) da presente invenção.

Num outro aspeto inventivo da estrutura de perfuração (100), o controlador está adicionalmente configurado para implementar uma movimentação de cada um dos martelos (6) dependente de pelo menos um parâmetro associado à secção de rocha que cada um dos martelos se encontre a perfurar. Tal permite uma adequação ainda maior à massa de rocha a perfurar, uma vez que cada um dos martelos (6) é movimentado de acordo com um parâmetro ou característica da secção de massa de rocha que lhe está associada. O parâmetro poderá, como exemplo, consistir na dureza da rocha, ou na sua constituição química. Por outro lado, essa informação poderá ser obtida por leitura com base em sensores adequados. Adicionalmente, a secção de rocha que cada um dos martelos (6) se encontre a perfurar pode ser entendida como a secção que se encontra numa posição perfurável pelo respetivo martelo (6), encontrando-se alinhada ou sendo com este alinhável.

Num modo vantajoso da estrutura de perfuração (100), que permite o controlo de parâmetros específicos de operação de cada martelo (6), o controlador está adicionalmente configurado para controlar um ou vários dos seguintes parâmetros, para cada martelo (6) e de forma independente dos restantes martelos (6):

- pressão e caudal de rotação do martelo (6),

- pressão e caudal de precursão do martelo (6),

- compensação de posição do martelo (6), e

- pressão de avanço do martelo (6).

Num outro modo vantajoso da estrutura de perfuração (100), que permite a obtenção de dados relevantes para a operação do controlador, permitindo a determinação melhorada e com feedback dos parâmetros de controlo a adaptar para cada martelo (6), o controlador está adicionalmente configurado para obter um ou mais dos seguintes dados de cada martelo (6):

- caudal e pressão de rotação do martelo (6),

- caudal e pressão da precursão do martelo (6),

- pelo menos um parâmetro adicional de perfuração, e

- posição do martelo em relação a pelo menos um ponto de referência da estrutura de suporte (2).

Descrevem-se de seguida alguns modos vantajosos do aparelho de perfuração para corte de massas de rocha da presente invenção.

Num aspeto inventivo, o aparelho da presente invenção compreende adicionalmente uma torre (1) e segundos meios de acionamento, a torre (1) estando disposta paralelamente à referida direção de movimentação dos martelos (6) e acoplada à estrutura de perfuração (100), os segundos meios de acionamento estando configurados para movimentar a estrutura de perfuração (100) ao longo da torre (1). Tal possibilita a movimentação da estrutura de perfuração (100) ao longo da torre (1), tratando-se de um ajuste adicional, que promove o ajuste em altura de todos os martelos (6) na mesma medida, uma vez que todos estes fazem parte da estrutura de perfuração (100).

Preferencialmente, o aparelho da presente invenção compreende adicionalmente pelo menos uma segunda guia (7), a segunda guia (7) estando configurada de tal forma que guia a referida movimentação da estrutura de perfuração (100) ao longo da torre (1), a segunda guia (7) estando alinhada com e acoplada à torre (D-

Num outro aspeto do aparelho da presente invenção, este compreende um segundo controlador, o segundo controlador consistindo no controlador da estrutura de perfuração (100) ou num controlador adicional, está configurado para controlar os segundos meios de acionamento. Num modo vantajoso, o controlador está adicionalmente configurado para controlar um ou mais parâmetros de movimentação da estrutura de suporte (2) em relação à torre (1), incluindo a pressão de avanço da estrutura de suporte (2) em relação à torre (1).

O aparelho da presente invenção compreende uma torre (1) dita vertical, na qual é deslocada uma estrutura de perfuração (100), ligada à torre por intermédio de uma estrutura de suporte (2), sendo este deslocamento direcionado por pelo menos uma segunda guia (7). A estrutura de perfuração (100) da presente invenção compreende pelo menos dois conjuntos de duas guias dos martelos (3) nas quais se deslocam elementos de ligação (5) -que poderão ser referidos como suportes de ligação -, estando cada elemento de ligação (5) (pelo menos um) associado a duas guias (3). A presente invenção apresenta pelo menos dois martelos (6) associados a pelo menos um suporte ou elemento de ligação (5). Preferencialmente, o referido martelo (6) encontra-se fixo mecanicamente ao respetivo elemento de ligação (5), e por isso os seus movimentos verticais são solidários e guiados pelas guias (3) nas quais o elemento de ligação (5) se desloca. O movimento de cada um dos elementos de ligação (5) é acionado por um respetivo mecanismo de acionamento (4) (dito vertical). A estrutura de perfuração (100) da presente invenção poderá compreender adicionalmente molas (8), que unem cada um dos elementos de ligação ao respetivo mecanismo de acionamento (4), sendo que as molas (8) reduzem as vibrações ao movimento dos martelos (6) de encontro à massa de rocha em perfuração.

No início da perfuração o martelo (6) encontra-se na posição de trabalho inferior estando o mecanismo de acionamento (4) numa posição dita totalmente aberta.

Durante o funcionamento da estrutura de perfuração (100), e portanto o movimento dos elementos de ligação (5) e respetivos martelos (6), as molas (8) fazem o ajuste necessário para atenuar a vibração do martelo (6).

O controlador da estrutura de perfuração (100) está configurado para receber entrada de sinais provenientes de:

- leitura de caudal e pressão da rotação do martelo (6);

- leitura de caudal e pressão da precursão do martelo (6);

- parâmetros de perfuração;

- posição do martelo (6) dentro da estrutura de suporte (2);

O controlador da estrutura de perfuração (100) está configurado para operar sobre:

- controlo da pressão e caudal de rotação do martelo (6), individualmente,

- controlo da pressão e caudal de precursão do martelo (6) individualmente, - compensação de posição do martelo (6) individualmente,

- controlo da pressão de avanço da estrutura de suporte (2).

O segundo controlador, que poderá consistir no (primeiro) controlador, está configurado para operar sobre o controlo da pressão de avanço do martelo (6).

Como será evidente a um perito na especialidade, a presente invenção não deverá estar limitada aos modos de realização descritos no presente documento, sendo possíveis diversas alterações que se mantêm no âmbito da presente invenção.

Evidentemente, os modos preferenciais acima apresentados são combináveis, nas diferentes formas possíveis, evitando-se aqui a repetição de todas essas combinações.