Aplicación del Método Vcrm para Yacimientos con Rocas Altamente

Aplicación del Método Vcrm para
Yacimientos con Rocas Altamente
Competentes
Enero 2013
José Eugenio Saravia Amigo, Consultor
Guillermo Olivares, Gemcom América Latina
Guillermo Uribe, Gemcom América Latina
José Eugenio Saravia Ortega, Gemcom América Latina
ARTÍCULO TÉCNICO
Gemcom MineSched – Método VCRM en Rocas Competentes
Resumen Ejecutivo
El aumento de los costos de producción, agotamiento de las reservas de alta ley y creciente demanda de la
explotación de rocas competentes, desafía los ingenieros en la búsqueda por métodos de explotación de menor
costo e inversión de una complejidad operacional adecuada. Este trabajo busca ir más allá de la visión
contemporánea rescatando el método de C.W. Livingston (1973) ofreciendo un quiebre de paradigmas para el
método de explotación masiva actual, proponiendo la aplicación del método VCRM para depósitos de rocas
competentes.
La siguiente propuesta es una alternativa que recoje la combinación entre el estado tecnológico actual de
perforación de tiros largos y los métodos de explotación Sub Level Stoping y Block Caving. Para efectos de
estimar el comportamiento productivo y sus costos se simuló una unidad básica de explotación. Se utilizó el
software MineSched de GEMS para simular el proceso de desarrollos y extracción de un bloque. Y para el costeo
se consideró una metodología del tipo Trade Off económico en aquellos ítems de costo mina que establecen
diferencias con los métodos de Block/Caving tradicional.
El diseño conceptual del método de explotación expuesto propone la tronadura ascendente vertical del material
que será recolectado en zanjas de recolección previa preparación de galerías superiores de perforación y
tronadura, además de la construcción de zanjas receptoras en la base del bloque.
1. Introducción
Livingston determinó que existia una relacion entre la profundidad critica “Dc”, a la cual se perciben las primeras
señales de acción externa en la forma de grietas y fracturas, y el peso de la carga explosiva “Q”, de acuerdo con
la ecuación empírica siguiente:
Dc = Et x Q1/3 (Ecuacion de Energia-Tension)
Donde,
Et = Factor de Energia-Tensión, que es una constante característica de cada combinación Roca-Explosivo.
La ecuación anterior puede ser representada de la siguiente forma:
Dg = ^ x Et x Q1/3
Donde,
Dg = Distancia de la superficie al centro de gravedad de la carga
^ = Relación de profundidad, número adimensional igual a Dg/Dc
La profundidad de la carga a la que el explosivo maximiza el volumen del cráter es conocida como profundidad
óptima “Do”entonces;
^o = Do/Dc
Donde;
^o = Relación óptima de profundidad.
Para determinar la profundidad óptima de la carga se realizan una serie de ensayos conforme las siguientes
recomendaciones.
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Las pruebas son efectuadas sobre el mismo tipo de roca y con el mismo tipo de explosivo que será
utilizado en las detonaciones de producción.
El diametro de los tiros será el mayor posible, por ejemplo 115 mm.
Los tiros verticales serán perpendiculares a la cara libre de las aberturas inferiores
Las cargas explosivas tendran un largo de 6 veces el Diámetros de perforación, con un taqueamiento lo
más perfecto posible.
Despues de efectuar cada prueba, se procede a medir el volumen del cráter, consiguiendo con el trazado
de todos los puntos, la curva Volumen-Profundidad.
2. Ley de la conformidad
Cuando una carga explosiva Q es posicionada sobre una roca homogénea, al ser detonada presiona la roca y la
destruye formando un cráter de profundidad y diámetro determinado. Repetida la experiencia con aumento de la
carga Q, el cráter aumentará en todas las direcciones en la misma proporción del aumento de la carga explosiva.
Esto significa que si la longitud, ancho y altura de la carga es aumentada en cierto porcentaje (volumen de la
carga n veces multiplicada por un factor), el diámetro y la profundidad del cráter será aumentado en la misma
proporción. Como corolario de esta uniformidad se concluye que la carga por metro cúbico de roca fracturada es
siempre igual, independiente que la prueba sea realizada en escala grande o pequeña la zona fragmentada
alrededor de una carga aumenta igualmente cuando la carga esta dentro de una perforación en la roca. El
aumento es directamente proporcional al radio de la carga en las detonaciones de cargas cilíndricas o esféricas.
Este fenómeno es conocido como LEY DE LA CONFORMIDAD.
En el proceso elástico la ley de conformidad es aplicada con exactitud; o sea, en teoría las magnitudes físicas
tales como; presión, velocidad, compresión y fragmentación, permanecen invariables en función de la variación
uniforme de la carga. En el proceso dinámico, la escala de tiempo aumentará en la misma proporción que la de
las longitudes. Este hecho simplifica la relación para las ondas de choque de las explosiones, lo que significa que
la presión (P) de una determinada onda de choque a una distancia (r) de una carga de 1,0 Kg es igual que la
correspondiente a otra distancia para una carga explosiva diferente.
En las detonaciones normales practicadas en el terreno, las condiciones varían y la ley de conformidad no puede
ser utilizada directamente, solo como referencia. Un caso importante es el desmonte en cráter invertido, en el
cual el arranque de la roca es provocado, principalmente, por la reflexión de la onda de choque en cara libre de
la roca. En este caso probablemente puede ser aplicada la ley de la conformidad.
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3. Método VCRM
Esta tecnología fue utilizada, inicialmente, en la recuperación de pilares de gran valor económico y donde el
acceso era muy limitado.
Este método de explotación es recomendado especialmente para explotación de grandes masas de mineral de
roca primaria, pues con la aplicación de este método todo el cuerpo mineral es desmontado por medio de cargas
explosivas.
Se utiliza este método en la mina Kedd Creek y en la mina Homestake donde cuentan con mucha experiencia
sobre esta tecnología.
En el año de 1973, el Ingeniero C.W. Livingston derivó la ecuación para fracturar la roca a partir de la
detonación en cráter. La teoría básica consiste en la instalación de cargas explosivas denominadas esféricas a
una distancia óptima del techo de una abertura, las cuales desmontarán el mayor volumen de roca en la forma
de un cono invertido. Con la malla de tiros detonados en cada etapa los cráteres originados se correlacionan
definiendo un nuevo techo de igual altura. La teoría correlaciona la instalación de cargas de peso determinado a
varias profundidades dentro de un tiro vertical (altura arriba del techo de la abertura). La dimensión de la carga y
su posición dentro del tiro dependen del diámetro del tiro, de la densidad de la carga, de las características de
la roca.
El largo de la carga relacionado con el diámetro del tiro, fue conseguido como resultado de las pruebas donde
se determinó que la relación entre el largo de la columna explosiva L para el diámetro del tiro D es de 6 veces
(L/D = 6), para que trabaje de forma similar a una carga esférica. También ha sido demostrado que para la
mayoría de los tipos de roca los explosivos más densos proporcionan mejor resultado en la fragmentación de la
misma.
La extracción del mineral tronado puede ser controlado, retirando solo el mineral necesario para crear espacio
suficiente entre el techo y el mineral tronado de modo que permita recibir el material de la próxima etapa de
detonación. Esta práctica permite mantener un pulmón de seguridad para evitar el efecto de pistón del aire que
pueda provocar un air blast.
4. Ventajas del método
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Producción de mineral con excelente recuperación
Método eficiente de fácil mecanización de todas las actividades productivas.
Garantía de seguridad para el personal y equipamiento que trabajan dentro de galerías con muy buena
ventilación.
5. Desventajas del método
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En la explotación de cuerpos minerales de reducidas dimensiones se exige gran volumen de sondajes
para definir los contornos mineralizados a fin de minimizar la dilución.
En cuerpo mineral con paredes de estéril de baja competencia mecánica el mineral debe permanecer en
la cámara de forma similar al método Shrinkage, con perjuicio económico durante el tiempo que el
mineral no puede ser extraído del mineral tronado.
6. Recomendaciones
Para el mayor aprovechamiento de las virtudes del método es recomendable adaptar la explotación del
yacimiento de acuerdo a la geometría del cuerpo mineral y seleccionar equipos de gran capacidad. Alternativas
como buzones y correas móviles, un sistema de buitras, piques y buzones, podrían permitir alcanzar una
coherencia entre la mejora en la fragmentación obtenida con el método y la velocidad de extracción que tolere el
sistema de manejo de materiales.
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7. Virtudes Técnicas del método
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Con los nuevos equipamientos de perforación para tiros de gran diámetro (> 6”) y más de 150 metros de
largo, los desvíos son inferiores a 1,5%.
• Con los nuevos equipos de perforación es posible explotar por el método VCRM paneles de mineral de
más de 150 metros de altura.
• A modo de referencia, se estima que para la explotación de un panel de 158 metros de alto y 72 metros
de ancho, la relación de toneladas por metro de galería, en el área del panel en explotación, estaría
próxima de las 3600 t/m.
• Como todo el mineral es fracturado por perforación y tronadura con explosivos, no se necesita de
chancadores y todo el sistema silo-alimentador-chancador-instalación electro mecánico. Para su buen
funcionamiento será suficiente la abertura de chimeneas de mineral a cada cierta distancia, con parrillas
controladoras de la dimensión de la piedra en su parte superior y martillos picadores para entregar el
mineral al nivel inferior del transportador de correa.
• La explotación del depósito se inicia desde la parte superior de la zona mineralizada por paneles que
pueden ser de 150 o 200 metros de alto. Por esta razón el desarrollo de la estructura de la mina es
limitado a solo lo necesario para la explotación de este primer nivel.
• Resumidamente la estructura de la mina (sin considerar las vías de acceso y de ventilación) será
conformada por tres niveles; un nivel superior de perforación y carga explosiva de los tiros, un nivel
intermedio de recolección del mineral desmontado en el panel en producción y un tercer nivel del
transporte del mineral hasta el sistema de transporte de la producción a la superficie. En la cota del nivel
de transporte es posible trazar paralelamente la galería de acceso de la ventilación de la mina.
• El diseño “Modular” del método de explotación permite independizar la gestión productiva entre sectores
y considerar una composición de sectores productivos para alcanzar capacidades de producción
comparables a las obtenidas por métodos masivos de explotación como Sublevel Caving.
Con la estructura de la mina con solamente tres niveles, el trazado del sistema de ventilación queda bastante
simplificado.
8. Estructura de un panel de explotación
Como ejemplo se considera un primer bloque de mineral que será explotado por paneles de 158 metros de altura
y 72 metros de ancho. Como se indica en la figura 1 en el nivel superior (nivel de perforación) se desarrollan
galerías horizontales paralelas, con sección de 8x4 (la altura de la galería depende de la altura requerida por las
perforaciones), con pilares de 4 metros. Estas dimensiones y distancias entre galerías del nivel superior tienen
como finalidad permitir la perforación de tiros verticales en malla cuadrada de 6x6 metros (diámetro de
perforación de 6”), entre este nivel y la abertura inferior.
En la preparación del panel para su explotación, desde el nivel intermedio (nivel de recolección Fig 2) se trona el
mineral en forma de un abanico de 36 metros de ancho por 24 metros de alto.
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Figura 1 – Estructura de un painel de producción
Figura 2 – Nivel de recolección
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El abatimiento del mineral se procesa en ascenso por etapas de altura a definir, pueden ser a cada 30 metros
(cuatro detonaciones) o a cada 40 metros (tres etapas a detonar), con el tiempo y mayor experiencia se definirá
el proceso que mejor se adapte a la operación práctica del terreno.
Como indicado en la figura la carga de los tiros parte del techo de la abertura inferior, la carga para cada etapa
es preparada con antecedencia en la superficie o en el local seleccionado, de manera a minimizar el tiempo a
gastar en la carga de los tiros con el explosivo de cada etapa.
El desmonte no necesita ser simultáneo de todo el panel, puede ser dividido en etapas de 36 metros de ancho
por la distancia que se considere conveniente, esto es muy importante para controlar el resultado de cada etapa
desmontada y para contar con caras libres de ayuda en el desmonte y conservar siempre el pulmón de
seguridad.
9. Carga del explosivo en los tiros
De la experiencia en minas que utilizan este método de explotación, se recomienda, para la fase inicial de la
aplicación del método, colocar la primera carga explosiva a la distancia de 2,00 metros del techo de la abertura
inferior, para tiros de 6” de diámetro la carga tendrá un largo de 6 veces este diámetro o sea 36” (90 cms) y el
taco será de 5pies (1,5 m), a continuación nueva carga explosiva de 90 cms, de esta forma la carga de los tiros
continua subiendo hasta completar la altura definida para la etapa. (Figura 3)
Figura 3 – Esquemático de carga de un tiro de 6”
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10. Estructura
En el desarrollo y preparación de la estructura del panel para la explotación, el método facilita ejecutar varias
actividades en paralelo, que significan reducir el tiempo de preparación de las diversas galerías, las cuales se
realizan simultáneas con las actividades de carga, detonación y transporte de la producción del mineral como
muestra la figura 4.
Figura 4 – Esquemático de la estructura con paneles en producción y preparación por módulos
11. Modelo Computacional
Usando el software de planificación minera Gemcom MineSched fue modelado un escenario con el objetivo de
observar y encontrar los cuellos de botellas del método, simulando con diferentes ritmos de desarrollo,
preparación, perforación y producción.
Fue creado un conjunto de datos virtuales, tales como modelo de bloque, un módulo de ocho caserones y una
estructura de ejes de galerías de producción. Para esta simulación no fue considerada la ventilación por lo que
esto traería a la simulación una complejidad fuera del alcance propuestos para este estudio.
Finalmente después de varias simulaciones se fijaron los valores de ritmos de producción de 40.000 ton por día
de mineral y de desarrollo de galerías de máximo 34 metros por día para explotar los ocho paneles del modulo
en aproximadamente 20 meses.
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12. Modelo de Galerías y Caserones
Se generó una estructura de galerías de un conjunto de ocho paneles modelo de 72m x 72m x 154m con las
secciones de galerías de acuerdo con los esquemáticos:
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Galerías de carga = 4 x 4 m
Galerías de taladro y tronadura = 8 x 4m
Galerías de recolección = 6 x6 m
Galerías de transporte = 4 x 4m
Galerías de acceso a los paineles = 6 x 4m
Figura 5 - Estructura de galerías para ocho paneles con toda la estructura de galerías
De acuerdo con la secuencia de desarrollo y preparación y considerando las precedencias de construcción de
galerías, el software entregó el siguiente orden de construcción.
Figura 6 - Grafico de secuencia de desarrollo por tipo de galería y tabla con valores detallados
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Los caserones considerados son de 72m x 72m de base con 24 metros de altura por abanicos y 124 de caserón
propiamente dicho, el modulo estudiado tiene 8 conjuntos de caserones y abanicos.
Figura 7 – Estructura de la mina con galerías, abanicos en la base de los caserones y caserones
La producción de 40.000 toneladas por día esta considerada para 10.000 ton por calle explotando y con esto se
obtendría un ritmo de producción de 1.200.000 toneladas por mes por módulo. Los primeros cuatro períodos
mensuales serán de preparación de los accesos principales y la estructura para el primer caserón entrar en
producción.
Figura 8 – Gráfico de producciones para un modulo
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Periodo 3
Periodo 5
Periodo 9
Periodo 12
Perido 17
Periodo23
Figura 9 – Secuencia de Explotación
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13. Trade-off de costos del método
Usando los resultados del módulo secuenciado y los costos considerados como diferenciales se obtuvo un costo
por toneladas como patrón de comparación.
El costo total para este trade-off es de US$ 4.32 / ton para un modulo de ocho paneles.
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14. Conclusiones
El método se presenta como una buena alternativa: Se puede llegar a tener varios módulos trabajando en
paralelo cada cual con hasta ocho caserones. La preparación de cada módulo también se puede hacer en
paralelo, lo que permite limites de producción en el rango de magnitud de métodos de explotación masivos como
Block/Panel Caving y Sublevel Caving, si se considera la operación de cuatro módulos simultáneos. Sin
embargo, los costos son mayores que en un método convencional, pero la seguridad del abatimiento y la menor
inversión inicial mantienen el método como una alternativa atractiva. Estudios mas detallados de CAPEX y OPEX
pueden mostrar efectivamente la viabilidad y eficiencia del método, no obstante es un aporte más en la discusión
para buscar alternativas en la minería Chilena.
La fragmentación gruesa en el punto de extracción es una condición común en minas de Block/Panel Caving.
Esto ha determinado implementar soluciones intermedias en el diseño del manejo de material a través de la
incorporación de equipos mecanizados, cachorreo y esquemas de chancado centralizado/local. La fragmentación
del cuerpo mineralizado en su lugar de emplazamiento mediante una explotación modular de bloques conlleva
ventajas como la posibilidad de incrementar capacidad de producción a un costo razonable. Así al disponer de un
material más fino, se recuperan velocidades de extracción propia de un sistema más continuo de extracción, pero
además al incorporar el desarrollo tecnológico se genera la posibilidad de manejar unidades productivas de
grandes dimensiones.
La fragmentación del método propuesto permitiría aumentar la capacidad productiva del bloque al liberar los
problemas de trancadura y colgaduras en los puntos de extracción. Lo cual podría permitir recuperar tasas de
extracción superiores a 2 t/m2-día. En este sentido, y considerando el esquema tecnológico actual, el sistema de
manejo de materiales aguas abajo del punto de extracción permitiría la incorporación de equipos propios de una
minería continua, esto es buzones y correas.
El sistema de manejo de materiales considerado en la simulación, es un esquema tradicional de calles donde
circulan uno o dos equipos LHD por donde se pueden extraer del orden de 10.000 t/día-calle de mineral.
Otras alternativas como buzones y correas móviles, o un sistema de buitras, piques y buzones, podrían tener una
coherencia con la fragmentación más fina lograda en el método y desarrollar unas capacidad de producción
superiores a las planteadas en esta simulación.
La apertura de área abierta entre el bloque y las zanjas recolectoras (Cara libre) permite progresivamente
incrementar el quiebre controlado de bloques en forma ascendente, por lo que es posible expandir el área de
tronadura cuanto sea requerido, aumentando el área abierta.
Otras ventajas relacionadas al método con fragmentación con tronadura y que deben ser estudiadas son:
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Mejoramiento de la granulometría y el rendimiento de los equipos de reducción secundaria y cachorreo
en los niveles de producción.
Direccionamiento controlado del caving.
Mejoramiento en la tasa de propagación del hundimiento.
Mejoramiento en la capacidad de producción y ramp up.
Aseguramiento del hundimiento y el inicio del cráter de propagación controlada del Caving y quiebre de
la Columna.
Mayor control de la dilución entre bloques vecinos, disminución de fenómenos de colgaduras y
potenciales air blast.
Disminución de la variabilidad de la calidad del macizo rocoso a la que se enfrentará el diseño minero de
cada unidad productiva o bloques.
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15. Bibliografia
Mining Engineering Handbook SME (Cummins & Given)
Voladura de rocas (Langersfor)
Revista Gold Mining
Software Gemcom MineSched
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