Reduction of Fragment Size from Mining to Mineral Processing, 2023.en.es

Traducido del inglés al español - www.onlinedoctranslator.com
Mecánica de rocas e ingeniería de rocas (2023) 56:747–778
https://doi.org/10.1007/s00603-022-03068-3
PAPEL ORIGINAL
Reducción del tamaño de los fragmentos desde la minería hasta el procesamiento de minerales: una
revisión
Zong‑Xian Zhang1· José A. Sanchidrián2· Finn Ouchterlony3· Saija Luukkanen1
Recibido: 30 de marzo de 2022 / Aceptado: 7 de septiembre de 2022 / Publicado en línea: 4 de octubre de 2022 ©
The Author(s) 2022
Abstracto
La industria minera mundial consume una gran cantidad de energía en la reducción del tamaño de los fragmentos desde la extracción hasta el
procesamiento de minerales con una eficiencia energética extremadamente baja, particularmente en la trituración y molienda de minerales. Con
respecto a tal situación, este artículo describe los efectos de la fragmentación de rocas por voladura en el consumo de energía, la productividad, la
recuperación de minerales, los costos operativos en toda la cadena de reducción de tamaño desde la extracción hasta el procesamiento de minerales
y la sostenibilidad de la industria minera. Se analizan los principales factores que influyen en la fragmentación de rocas, como el explosivo, el iniciador,
la roca y la distribución de energía, incluido el diseño de voladuras, y se presentan brevemente los modelos para predecir la fragmentación de rocas.
Además, se presentan brevemente dos temas importantes: finos y mezcla de minerales. Además, Se analiza la viabilidad de lograr una fragmentación
óptima (satisfacida por un costo mínimo desde la perforación- voladura hasta la trituración-molienda, máxima tasa de recuperación de mineral, alta
productividad y mínimo impacto negativo en la seguridad y el medio ambiente). El análisis indica que esta factibilidad es alta. Finalmente, se discuten
las medidas y desafíos para lograr una fragmentación óptima.
Reflejos
•
•
•
•
Se describen los efectos de la fragmentación de rocas en toda la cadena de reducción de tamaño desde la extracción hasta el procesamiento de minerales.
Se analizan los principales factores que influyen en la fragmentación de rocas por voladuras.
Se introducen y comentan brevemente los principales modelos para predecir la fragmentación de rocas.
Se analizan la viabilidad, las medidas y los desafíos para lograr una fragmentación óptima.
Palabras claveEficiencia energética · Fragmentación de rocas · Voladuras · De mina a molino · Recuperación de minerales · Chancado y molienda
*
Zong-Xian Zhang
[email protected]
José A. Sanchidrián
[email protected]
finn ouchterlony
[email protected]
Saija Luukkanen
[email protected]
1
Escuela de Minería de Oulu, Universidad de Oulu, Oulu, Finlandia
2
ETSI Minas y Energía, Universidad Politécnica de Madrid,
Madrid, España
3
Departamento de Ingeniería de Minas, Montanuniversitaet
Leoben, Leoben, Austria
Vol.:(0123456789)
748
Z.-X. Zhang et al.
Lista de símbolos
q
Ouchterlony2003a; McKee2013), la operación minera y el
Carga específica o factor de polvo, kg/m3o
procesamiento de minerales se habían separado en dos unidades
kg/t
independientes en la gestión, especialmente en lo que respecta a la
X50
Tamaño mediano del fragmento, mm
contabilidad. Por lo tanto, la unidad minera se enfocó en sus costos
norte
Índice de uniformidad
internos, incluyendo perforación, voladura, carga, transporte y
Carga, m
izaje, sin considerar si la perforación y voladura afectan o no las
Espaciado, m
operaciones aguas abajo de trituración y molienda. Desde el punto
Altura del banco, m
de vista del procesamiento de minerales, la voladura juega un papel
Diámetro del pozo, mm
importante en la mejora de la eficiencia energética del proceso de
Longitud del pozo, m
trituración (McKee et al.1995; Kojovic et al.1995; Michaux y
Longitud de carga, m
Djordjevic2005; McKee2013; Napier-Munn2015).
B
S
H
d
Lh
LC
Cpag
DoVOD
PAG
XPAG
base de datos
c.g.
Velocidad de onda P de la roca, m/
Cuando los minerales duros se extraen, trituran, muelen y procesan
s Velocidad de detonación, m/s
(p. ej., se concentran), se debe gastar una gran cantidad de energía y
Porcentaje de paso
una cantidad considerable de CO2producido. Según el Análisis de Ciclo
Tamaño de partícula en el porcentaje que pasaPAG,
de Vida (LCA), una metodología relativamente nueva para evaluar el
mm Eficiencia energética en perforación y voladura
impacto ambiental de diversas actividades, las emisiones de gases de
Eficiencia energética en chancado y molienda
efecto invernadero fueron de 12 y 5 kg CO2e (CO2e significa dióxido de
carbono equivalente) por tonelada de mineral de hierro y por tonelada
de bauxita, respectivamente, mientras que fueron 628 kg CO2e por
1. Introducción
tonelada de concentrado de cobre correspondiente a 39 kg CO2e por
tonelada de mineral de cobre (Norgate y Haque 2010). En el caso del
La economía moderna depende en gran medida de la producción
mineral de cobre, son los pasos de trituración y molienda
de minerales. Para suministrar suficientes minerales y satisfacer las
(particularmente el último) los que hacen la mayor contribución
demandas de la economía moderna, la industria minera mundial
(aproximadamente 47%) a las emisiones totales de gases de efecto
consume una gran cantidad de energía cada año. Por ejemplo, en
invernadero para la producción de concentrado de cobre. Por otro lado,
USA, la industria minera consume aproximadamente
los explosivos contribuyeron solo en pequeña medida (1 a 8 %) a las
. 3×1018J de energía por año (BCS 2007). Desafortunadamente, la
eficiencia energética es extremadamente baja en operaciones, como
emisiones generales de gases de efecto invernadero, ascendiendo a 0,7
y 0,4 kg de CO2e/t de mineral de hierro y bauxita respectivamente, y 9,1
voladura de rocas, trituración y trituración. Por ejemplo, la eficiencia
kg CO2e/t concentrado (o 0,6 kg CO2mineral e/t) para concentrado de
energética es de alrededor del 10% en la perforación de roca por
cobre (Norgate y Haque2010).
percusión (Carrol1985), 3–5% en trituración de rocas (Prasher1987),
En la década de 1970, se reconoció que la fragmentación de rocas
aproximadamente 1% en molienda (Chi et al.1996; Alvarado et al. 1998;
por voladuras influía en otras operaciones, como la carga, el transporte
Fürstenau y Abouzeid2002; Zhang y Ouchterlony2022), y máximo 6% en
y la trituración (Zeggeren y Chung1975; McKee 2013). Luego, el concepto
voladura de rocas (Ouchterlony et al.2003; Sanchidrián et al.2007). Estas
de fragmentación óptima se convirtió en un tema de investigación
eficiencias energéticas extremadamente bajas dan como resultado una
importante en la ingeniería de minas (p. ej., Chiappetta y Borg1983; Xu y
cantidad considerable de desperdicio de energía y hacen que la industria
Yu1984; Nielsen1984). Nielsen (1984) realizaron uno de los primeros
minera sea peor que la mayoría de los otros sectores industriales en
estudios experimentales que relacionan la minería con el
cuanto a la utilización de la energía.
procesamiento, considerando que la voladura podría preacondicionar la
En la minería de roca dura, la masa de mineral se descompone primero en
roca fragmentada, de modo que se redujera la energía requerida en las
fragmentos de varios tamaños mediante voladura, lo que a menudo se
operaciones posteriores de trituración y molienda. Jaeger et al. (1986)
denomina fragmentación (voladura). En las operaciones posteriores, como
encontraron, por medio de un microscopio electrónico de barrido (SEM),
trituración y molienda, los fragmentos de mineral de la voladura se trituran
que los fragmentos de roca producidos por voladura contenían una
aún más y se muelen en partículas más pequeñas. En general, la trituración y
multitud de grietas, lo que indica que tales grietas podrían ser
la molienda se denominan en conjunto trituración en el procesamiento de
beneficiosas para la trituración y la molienda. Mientras tanto, Chertkov (
minerales y la molienda suele ser la etapa del procesamiento de minerales
1986) modelaron matemáticamente la correlación del agrietamiento
que consume más energía. En consecuencia, para mejorar la economía del
preliminar e inducido por explosivos con las características de trituración
proceso, existe una gran demanda de tecnologías capaces de reducir el
de la roca quebradiza y concluyeron que el proceso de voladura
tamaño de las partículas de manera más rentable. Antes de que se iniciara el
introdujo grietas en los fragmentos de roca. Dos años después,
concepto de mina a molino (probablemente, gran parte de la investigación
Revnivtsev (1988) informó un resultado experimental de que la energía
inicial de mina a molino relacionada con el sitio se realizó en el Julius
requerida para triturar y moler un trozo de roca producido por
Kruttschnitt Mineral Research Center (JKMRC) desde la década de 1980, véase,
explosivos era menor que la de la roca antes de la voladura, y luego,
por ejemplo, McKee et al.1995;
McKee et al. (1995) demostró que la fragmentación
13
749
Reducción del tamaño de los fragmentos desde la minería hasta el procesamiento de minerales: una revisión
en la voladura y la trituración en el procesamiento de minerales se
ahorros y mayor rendimiento del molino, si ocurren fallos de encendido o se utilizan
correlacionaron. Muchas pruebas de laboratorio a pequeña escala
diseños de voladura deficientes (Zhang2016a).
indicaron que la voladura de rocas tuvo un impacto significativo en
Al igual que la alta carga específica, se consideró que el tiempo
la trituración y molienda (Eloranta1995; Chi et al.1996; Tunstall y
de retardo entre dos barrenos adyacentes era otra clave posible
Bearman 1997; Nielsen y Lownds1997; Mansouri et al.2018) e
para la fragmentación óptima de la roca al realizar una
influyó en el índice de obras de Bond (Nielsen y Kristiansen 1996), la
superposición eficiente de las ondas de tensión de los dos barrenos
fuerza (Kemeny et al.2003), el daño y la velocidad de la onda P
vecinos. En este espíritu, Rossmanith (2002) y Rossmanith y
(Roblee y Stokoe1989; Katsabanis et al.2003) de fragmentos de
Kouzniak (2004) describieron cómo se podría lograr un efecto
roca. Desde entonces, se ha iniciado en Australia un gran número
positivo de la interacción de ondas de tensión entre dos pozos de
de los llamados estudios de mina a fábrica sobre fragmentación
voladura con un tiempo de retardo entre pozos corto. Su teoría fue
óptima (McKee2013) y luego adoptado en otros países (Ouchterlony
probada por Vanbrabant y Espinosa (2006) en voladuras a gran
2003a). Estos estudios se han realizado ampliamente en todo el
escala. Descubrieron que la fragmentación promedio mejoró en
mundo por varias razones. Una de las razones es el hecho
casi un 50 %. Sin embargo, muchas otras voladuras a pequeña y
mencionado anteriormente de que la trituración mundial de rocas
gran escala no produjeron una fragmentación mejor o mucho
consume una gran cantidad de energía y otros recursos. Por
mejor cuando se usaron tiempos de retardo muy cortos (p. ej.,
ejemplo, la trituración consume el 53 % de la energía total en todo
Stagg y Nutting).1987; Katsabanis et al.2006; Johansson y
el proceso, desde la extracción hasta el procesamiento del mineral,
Ouchterlony2013; Petropoulos et al.2014). Respecto a estos dos
y el costo de la trituración alcanza el 67 % del costo total del
resultados contradictorios, Blair (2009) argumentó que la
proceso, mientras que el costo de perforación y voladura es solo el
probabilidad de las interacciones de ondas de tensión positivas
5 %. (Spatis2015). Otra razón es que la eficiencia energética de la
mencionadas por Rossmanith (2002) era muy limitada. Zhang (
trituración es extremadamente baja, como se mencionó
2016a) explicó además que considerar solo la interacción de la onda
anteriormente.
de tensión sin la propagación de grietas y el movimiento de los
Con una población y un PIB per cápita en aumento, la producción y el
consumo global de varios minerales han aumentado durante más de un
siglo y, al mismo tiempo, se ha perdido una gran cantidad de minerales
fragmentos no era suficiente para determinar el mejor tiempo de
retardo para una fragmentación óptima.
La molienda es el proceso más costoso en la etapa de
en la minería y el procesamiento de minerales desde 1920 (Zhang et al.
procesamiento de minerales (Aldrich2013; Napier-Munn2015; Diaz
2021c). Vale la pena señalar que la tasa de recuperación de mineral en la
et al.2018). Además del consumo directo de energía, la molienda
minería se puede aumentar mediante tecnología de voladura avanzada
consume indirectamente energía a través de medios y materiales
(Brunton et al.2010; zhang 2005a,b,2014,2016a,b; Zhang y Wimmer2018
de desgaste. Uno de los desafíos de los últimos años ha sido tratar
), lo que significa que la sostenibilidad de la producción de materias
grandes volúmenes de minerales de baja ley y diseminados
primas puede mejorarse optimizando la fragmentación en voladuras.
geográficamente, mientras que los costos de energía y operación
Para lograr una fragmentación óptima, los estudios previos se centraron
aumentan constantemente. Los minerales complejos diseminados
en la mejora de la voladura de rocas, principalmente debido a la gran
de baja ley requieren una reducción de tamaño suficiente para
discrepancia entre la eficiencia energética en la voladura de rocas y la de
liberar los minerales valiosos, pero al mismo tiempo, es vital evitar
trituración o molienda descrita anteriormente. Haciendo uso de esta
la formación de cantidades excesivas de finos, cuya creación
discrepancia, Zhang (2008,2016a) demostraron matemáticamente que la
requiere mucha energía. En consecuencia, existe una gran
eficiencia energética en la cadena desde la perforación y voladura de
demanda de soluciones para reducir el consumo de energía y la
rocas hasta la trituración y trituración podía incrementarse cuando la
formación de partículas finas en la trituración. Las tecnologías
entrada de energía en la voladura se incrementaba en cierta cantidad.
capaces de producir principalmente microfisuras y fragmentación
En otras palabras, teóricamente, se podrían lograr ahorros en la cadena
selectiva a lo largo de los límites de grano son de interés, ya que
aumentando la entrada de energía en la voladura de rocas. En la
podrían crear partículas menos finas.
práctica, muchas minas obtuvieron más ahorros o un mayor
Después de que las partículas de mineral se muelen en los molinos, se
rendimiento del molino al emplear una carga específica más alta (o
procesarán más mediante técnicas de separación, como la flotación. En este
factor de polvo) en la voladura de producción minera (Kojovic et al.1995;
proceso, las partículas minerales extrafinas no pueden recuperarse con la
Strelec et al.2000; Karageorgos et al.2001; Lam et al.2001; Paley y Kojovic
tecnología de procesamiento actual (Wills y Napier-Munn 2006). Dado que
2001; Kojovic2005; Michaux y Djordjevic2005; Adel et al.2006; Adiós2006;
estas partículas tan pequeñas se producen no solo en la trituración y la
Brent et al.2013; McKee2013; Ouchterlony et al.2013). Por ejemplo,
molienda, sino también en la voladura, dos cuestiones importantes son cómo
muchos proyectos llamados Mine to Mill aumentaron la productividad
controlarlas o reducirlas y cuáles son las partículas más pequeñas que pueden
en un rango de 10 a 20 % por medio de una carga específica más alta
ser aceptadas por la tecnología de procesamiento moderna.
(McKee2013). Sin embargo, una carga específica más alta no
necesariamente produce una mejor fragmentación, más
Para lograr una fragmentación óptima, es necesario poder
predecir los resultados de la fragmentación de rocas. Con este
propósito, varios modelos o funciones, como el Kuz–Ram
13
750
Z.-X. Zhang et al.
modelo de fragmentación (Cunningham1983;1987;2005), la función
Swebrec (Ouchterlony2005a), el modelo de apariencia de rotura JK
(para DWT o pruebas de caída de peso, p. ej., Napier-Munn et al.
1996; Shi2016), y el abanico de energía de fragmentación
(Ouchterlony et al.2017; Sanchidrián y Ouchterlony2017;
Ouchterlony y Sanchidrián2018; Segarra et al.2018; Ouchterlony y
Sanchidrian 2019) fueron desarrollados. Estos modelos, la mayoría
de los cuales describen el resultado de la voladura de banco,
pueden describir la relación entre el tamaño de partícula/fragmento
y el paso de masa acumulada bastante bien y se encontró que la
función Swebrec es la función que mejor se ajusta en general, en
casi todos los grupos de datos y a través de todo el rango de paso
(Sanchidrián et al.2012, 2014), en comparación con otras funciones.
Es deseable que en el futuro, dichos modelos puedan desarrollarse
aún más para vincular con mayor precisión los parámetros de
entrada de una voladura, como la carga, el espaciamiento, las
propiedades del macizo rocoso, etc., con la salida, la distribución del
tamaño de los fragmentos.
La descripción anterior indica que la optimización de la
rotura de rocas desde la minería hasta el procesamiento de
minerales sigue una tendencia clara que conduce a
ganancias en la productividad y ahorros de la minería. Sin
embargo, las aplicaciones exitosas de proyectos de
fragmentación óptima o de mina a molino generaron
diferentes ganancias o ahorros de productividad, por
ejemplo, según lo informado por McKee (2013), los
proyectos de la mina a la planta no tuvieron éxito en lograr
una mayor productividad o mayores ahorros cuando se
utilizó una carga específica más alta. La razón puede ser las
diferentes técnicas de voladura, como las diferentes cargas
específicas utilizadas o los diseños de voladura incorrectos
que dan lugar a fallos de encendido, pero esto debe
confirmarse. En general, los estudios o aplicaciones
anteriores no han explicado suficientemente bien qué es la
carga específica óptima y cómo determinarla. Además, los
resultados contradictorios de las pruebas de tiempo de
retardo corto aún no se han explicado satisfactoriamente,
lo que da como resultado que la determinación de los
tiempos de retardo óptimos en la voladura de rocas carezca
de una descripción científica confiable. Finalmente, es
necesario considerar el efecto de las partículas finas en el
procesamiento de minerales. Con base en los antecedentes
anteriores,
Figura 1Prorrateo del consumo de energía en minas de roca dura
(basado en los datos de Spathis2015)
minas Como se menciona en la Secc. 1, las estadísticas de las minas de roca
dura indican que la perforación y la voladura consumen el 2 % y la trituración
consume el 53 % del aporte total de energía en toda la cadena de producción,
desde la extracción hasta el procesamiento de minerales (Spathis 2015), véase
la fig.1.
Un hecho destacable es que la eficiencia energética de la molienda
convencional es solo del orden del 1%, como se menciona en la Secc. 1.
Un estudio experimental anterior indicó que alrededor del 80-90 % de la
entrada de energía de un molino de bolas se usaba para calentar el
material (Schellinger1951,1952), y un estudio reciente mostró que más
del 75% de la energía eléctrica se utilizó para calentar la suspensión
(Bouchard et al.2016). Sobre la base de estos estudios, se puede concluir
que la mayor parte de la entrada de energía en la molienda se consume
en el calentamiento de los materiales.
Una fragmentación mejor (o más fina) normalmente podría ahorrar una
gran cantidad de energía en la industria minera. Por ejemplo, como se
muestra en la Fig.2, las dos imágenes que se tomaron después de la voladura,
pero antes de que comenzara la extracción de mineral, muestran las pilas de
escombros de dos voladuras similares en una galería de producción en una
mina de hundimiento subnivel (Zhang2016a). Excepto por las diferentes
posiciones del detonador en las dos voladuras, la masa de mineral, el
explosivo, los tamaños de los barrenos y las cargas explosivas eran casi
iguales o al menos muy similares. Es decir, los diferentes resultados de
fragmentación se deben con gran probabilidad principalmente a las
2 Efectos de la fragmentación en la minería,
diferentes posiciones del detonador. Evidentemente, la pila de escombros que
Procesamiento de minerales, sustentabilidad
se muestra en la Fig.2b ahorrará mucha energía en la trituración y molienda
y medio ambiente
aguas abajo. En otras palabras, un mejor diseño de voladura probablemente
pueda ahorrar energía en la trituración y molienda. Un resultado similar se
2.1 Energía
logró en un estudio reciente, que mostró que los tamaños de los fragmentos
grandes se redujeron notablemente a medida que las posiciones del
La perforación, voladura y trituración de rocas (trituración y
detonador se cambiaron a la mitad de la longitud de la carga explosiva desde
molienda) consumen una gran cantidad de energía en rocas duras.
la posición cercana al fondo del barreno en
13
751
Reducción del tamaño de los fragmentos desde la minería hasta el procesamiento de minerales: una revisión
La mina LKAB Malmberget demostró que cuando los detonadores se
colocaron en el punto medio de la longitud de la carga explosiva, la relación
de extracción de mineral (la relación entre la masa extraída (volumen) y la
masa nominal del anillo (volumen)) aumentó en un 110 % en 93 anillos de
producción ( zhang2005b), en comparación con cuando los detonadores se
colocan en posiciones cercanas a los collares de los pozos de voladura (tenga
en cuenta que tanto la relación de recuperación de mineral como la relación
de extracción de un anillo pueden ser superiores al 100 % en hundimiento por
subnivel). De manera similar, las posiciones del detonador de punto medio
arrojaron un índice de recuperación de mineral más alto que las posiciones
del detonador de punta en la mina de oro y cobre Ridgeway usando
excavación subnivel (Brunton et al.2010). Además, cuando se colocaron dos
detonadores en diferentes lugares de cada pozo y se dispararon al mismo
tiempo, la tasa de recuperación de mineral en la mina Malmberget también
aumentó (Zhang2014). Incluso cuando una voladura se dividió en dos partes,
se mejoró la fragmentación de la roca, se incrementó la relación de extracción
y se incrementó la recuperación final del mineral en la mina Malmberget
(Zhang and Wimmer2018). Cifra3a muestra la relación de extracción de
mineral de 8 galerías (4 galerías con la posición del detonador cerca del collar
y 4 galerías con la posición del detonador en el punto medio) en dos niveles
de producción JH390 y JH437 de un cuerpo de mineral y 12 galerías en otros
cuerpos de mineral donde dos posiciones diferentes del detonador fueron
probado en cada deriva. Claramente, la posición del detonador de punto
medio produjo una relación de extracción de mineral mucho más alta que la
posición del detonador cerca del cuello. Además, también se incrementó el
contenido de hierro correspondiente desde la posición del detonador de
punto medio; ver figura3b. A diferencia de los estudios sobre recuperación de
minerales en la minería, el número de estudios sobre recuperación de
minerales en el procesamiento de minerales es pequeño.
Figura 2
Pilas de escombros de dos explosiones anulares en cuevas subnivel (después de Zhang
2016a). Las fotos fueron tomadas después de la voladura pero antes de que
comenzara la extracción del mineral, es decir, cuando la extracción es cero. El papel
de las imágenes tiene el mismo tamaño de 40 × 50 cm y las derivas tienen 6,5 m de
ancho y 5,5 m de alto.aMuckpile de la voladura con un detonador cerca de los
2.3 Productividad
cuellos de los barrenos.bPila de escombros de la explosión con una posición de
La fragmentación tiene un fuerte impacto en la productividad, como la tasa de
detonador en el punto medio de la longitud de la carga explosiva
extracción y el rendimiento del molino.
la mina a cielo abierto Boliden Kevitsa (Ylitalo et al.2021). Por ejemplo, la
2.3.1 Tasa de extracción de mineral
cantidad de cantos rodados (fragmentos de más de 1,0 m) se redujo en
más del 30 % en cinco voladuras de producción con el detonador en la
La fragmentación y el número asociado de cantos rodados influyen en la
posición central, en comparación con otras voladuras de producción con
tasa de extracción (toneladas extraídas por turno en la Fig.4) de
el detonador en una posición cercana al fondo de la mina.
diferentes aspectos, como el tiempo de llenado del balde, el peso del
mineral cargado en un balde, etc. Cuando los fragmentos por voladura
2.2 Recuperación de minerales
son pequeños, el balde de una máquina cargadora o una pala se puede
llenar rápidamente y la cantidad de cantos rodados que se deben
La fragmentación de la roca influye en la recuperación del mineral a través de dos
manejar es pequeña. En consecuencia, la extracción de mineral se puede
mecanismos. (1) Una mejor fragmentación (más fina) puede aumentar la tasa de
llevar a cabo de manera eficiente. Este caso suele presentarse al inicio de
recuperación de mineral en algunos métodos de extracción, como la excavación por
la extracción en un anillo de hundimiento de subnivel, ya que los
subnivel, ya que los fragmentos de mineral más pequeños de la voladura pueden
fragmentos de mineral provienen principalmente de la parte inferior del
fluir más fácilmente a los puntos de extracción, lo que da como resultado una mayor
anillo donde la carga específica es mayor que la de la parte superior. Es
tasa de recuperación de mineral. (2) Una mejor fragmentación puede producir más
por esto que una máquina cargadora puede extraer más de 4000
grietas intergranulares y aumentar la recuperación de mineral en el procesamiento
toneladas de mineral por turno, como se muestra en la Fig.4(Zhang
de minerales. Explosiones de producción en subnivel de hundimiento en el
2016a). Cuando la extracción se acerca a su finalización, más y más rocas
13
752
Fig. 3Relación media de extracción de
mineral (a) y contenido de hierro (b) de
voladuras ordinarias (barras grises) en
una mina de hundimiento por debajo del
nivel, con posiciones de detonador cerca
de los cuellos de los barrenos y voladuras
con posiciones de detonador en el punto
medio de la longitud de la carga explosiva
(barras verdes, datos de Zhang2005b). Los
números entre paréntesis son el número
de anillos (explosiones) detrás de cada
valor de barra. Dado que los datos de
contenido de hierro de las galerías
JH3902, 3903, 3904 y 3906 no estaban
disponibles, se supuso que el contenido
de hierro promedio en toda la mina,
47,5%, era el contenido de hierro en esas
cuatro galerías. Los cuatro pares de
barras a la izquierda son para un
yacimiento, mientras que el par de la
derecha da resultados promedio para
varios yacimientos.
13
Z.-X. Zhang et al.
753
Reducción del tamaño de los fragmentos desde la minería hasta el procesamiento de minerales: una revisión
Figura 4Tasa de extracción (toneladas
extraídas por turno) vs porcentaje de
mineral totalmente extraído en anillos de
hundimiento de subnivel según
datos de producción (después de
Zhang 2016a). Los diamantes vacíos
representan cinco anillos con
condiciones geológicas especiales.
Tenga en cuenta que la relación de
extracción, que se define en la Secc.2.2
como masa extraída (volumen) sobre
la masa nominal del anillo (volumen),
es diferente de la tasa de extracción y
puede ser más del 100% de la masa
nominal volada
se derrumban, y dichos cantos rodados deben romperse mediante
que el rendimiento del molino aumenta con una carga
fragmentación secundaria antes de que se carguen, lo que da como resultado
específica creciente (por ejemplo, Karageorgos et al.2001; Lam
tasas de extracción más bajas. Tenga en cuenta que bajo algunas condiciones
et al.2001; Paley y Kojovic2001; Adiós2006; Paley2010,2012).
geológicas especiales, como una alta mezcla de mineral y roca estéril en un
Cifra5a muestra los resultados de tres minas: la mina Porgera
anillo, la tasa de extracción no es alta ni siquiera al comienzo de la extracción,
en Papúa Nueva Guinea (Lam et al.2001), la mina KCGM en
como se muestra en los cuadrados pequeños de la Fig.4. De manera similar,
Australia (Karageorgos et al.2001), y la mina Red Dog en EE.UU.
los estudios en minería a cielo abierto también muestran que una mejor
(Paley y Kojovic2001). Cifra5b presenta los resultados de la
fragmentación (fragmentos más pequeños y menos cantos rodados) conduce
mina Sandsloot en Sudáfrica (Adiós 2006) y la mina Red Dog en
a una mejor capacidad de excavación (Ylitalo et al.2021), reducción de los
EE. UU. (Ouchterlony y Paley2013). Tenga en cuenta que la
tiempos de llenado de baldes, aumento de los factores de llenado de baldes y
figura.5a usa carga específica de masa y la Fig.5b usa carga
reducción de los costos de mantenimiento de palas y camiones (Orlandi y
específica de volumen para describir la 'intensidad' de las
McKenzie2006). Sin embargo, las cosas no siempre son tan claras. Resultados
explosiones.
de voladuras de canteras de Ouchterlony et al. (2010) mostró que para la
Las minas de la Fig.5Usaron diferentes explosivos. Por ejemplo,
iniciación pirotécnica y electrónica con cargas específicas comparables en
Karageorgos et al. utilizaron dos emulsiones diferentes. (2001), y
patrones de voladura comparables, la iniciación electrónica proporcionó 1)
una ANFO de Paley y Kojovic (2001). Además, los macizos rocosos y
una fragmentación más gruesa, un flujo de trituración más pequeño y una
los molinos eran diferentes en esas minas, por lo que las relaciones
energía de trituración específica más pequeña, pero 2) un tiempo de llenado
entre carga específica y rendimiento del molino son diferentes. Sin
del balde significativamente más corto que el iniciación pirotécnica.
embargo, en los cinco casos, una relación entre el rendimiento del
molinoPAGmontey cargo específico
2.3.2 Rendimiento del molino
El rendimiento del molino se puede aumentar mejorando la fragmentación
mediante voladuras. Esto ha sido probado por la producción minera (por
wpuede
expresarse mediante las siguientes fórmulas:
(1)
PAGmonte=acw+b
dóndeaybson coeficientes que dependen de las propiedades de la
ejemplo, Bergman2005; Kojovic2005; McKee2013). En teoría, la fragmentación
roca y del explosivo, así como de otros factores, como la escala de
se puede mejorar si se aumenta la carga específica (cuando se usa el mismo
operación y el diseño de la voladura. Se podría argumentar que una
explosivo) y el número de fallas de encendido es insignificante. Highland
dependencia no linealPAGmonte(qw)con una intersección positiva en una
Valley Copper experimentó una disminución en el rendimiento del molino
carga específica crítica y una asíntota horizontal correspondiente al flujo
después de introducir barrenos más grandes para la voladura, lo que resultó
libre es físicamente más apropiado, pero nuestros datos son demasiado
en una fragmentación más gruesa y un producto más grueso de las
limitados para entrar en tanto detalle.
trituradoras primarias (Simkus and Dance1998). Las prácticas en muchas
minas han demostrado
13
754
Figura 5Rendimiento del molino
vs carga específica.aTres minas:
las minas Porgera, KCGM y Red
Dog; los datos provienen de Lam
et al. (2001), Karageorgos et al. (
2001) y Paley y Kojovic (2001).b
Dos minas: la mina Sandsloot
(Adiós2006) y la mina Red Dog
(Ouchterlony y Paley2013)
13
Z.-X. Zhang et al.
755
Reducción del tamaño de los fragmentos desde la minería hasta el procesamiento de minerales: una revisión
2.5 Sostenibilidad Minera y Medio Ambiente
2.4 Costo total que cubre la minería y el procesamiento
de minerales
Dado que una mejor fragmentación puede aumentar la tasa de recuperación
El costo total desde la extracción hasta el procesamiento de minerales se
de mineral, las pérdidas de mineral disminuirán y se podrán 'ahorrar' más
puede reducir mejorando la fragmentación de rocas. Primero, una
recursos minerales y mejorar la sostenibilidad de la minería, como se describe
fragmentación más fina puede resultar en un mejor rendimiento de
en la Secc.2.2.
trituración y molienda. Por ejemplo, en la cantera Luck Stone Bealon, EE. UU.,
Si se mejora la fragmentación de rocas, una mayor parte de la energía
cuando se incrementó la carga específica, la energía de trituración disminuyó
alimentada a la minería y al procesamiento de minerales se puede utilizar de
en un 11 % (Kojovic et al.1995; Adel et al. 2006; McKee2013). Un resultado
manera rentable en lugar de desperdiciarla, como se explica en la Secc.2.1.
similar fue encontrado por Ouchterlony et al. (2010,2015) usando iniciación no
Según el estudio de Norgate y Haque (2010) mencionado anteriormente, la
eléctrica en la cantera Långåsen. Una carga específica superior, 0,99 frente a
trituración y la molienda contribuyeron con alrededor del 21 % y el 47 %,
0,72 kg/m3, (+ 38 %) proporcionó una fragmentación mediana notablemente
respectivamente, a las emisiones totales de gases de efecto invernadero para
más fina, 120 frente a 160 mm (-25 %), un tiempo de llenado del cucharón más
la extracción y el procesamiento de mineral de hierro y para la producción de
rápido, 25 frente a 35 s (-39 %), un mayor flujo de la trituradora, 400 frente a
concentrado de cobre. Por lo tanto, para lograr la sostenibilidad de la minería
35 s. 380 ton/hr (+5%) y una energía específica de trituración menor, 0,25 vs
y reducir el impacto negativo de la minería en el medio ambiente, es
0,30 kWh/ton (-17%). En una mina a cielo abierto en América del Sur, cuando
importante aumentar la recuperación de mineral y disminuir el consumo de
se incrementó la carga específica en un 40 %, se incrementó el rendimiento
energía en la trituración y molienda del mineral mejorando la fragmentación
del molino; ver tabla1. En segundo lugar, una fragmentación más fina
de la roca mediante voladuras.
conduce a una mayor tasa de extracción de mineral en la minería y a un
mayor rendimiento de la molienda en el procesamiento de minerales, como
3 factores que influyen en la fragmentación de rocas
se mencionó anteriormente (Sect.2.3).
Hay más evidencia de que las voladuras afectan los resultados de
La fragmentación de rocas por voladura tiene lugar en un sistema que
trituración y molienda, y que se pueden acumular grandes ahorros de
aplica cargas disruptivas (incluidos explosivos e iniciadores,
costos (Eloranta1995; Paley y Kojovic2001). En la cantera Vrsi, cuando el
normalmente un detonador), a un objeto (roca) y a las condiciones
patrón de perforación disminuyó de 3,0 m × 4,5 m a 2,9 m × 3,0 m,
circundantes, como se muestra en la Fig.6a. La voladura de producción
mientras que otros parámetros, como los tamaños de los pozos, se
se lleva a cabo en la superficie (generalmente a través de voladuras de
mantuvieron constantes, se logró un ahorro significativo del 14 % para la
banco) o subterráneas (a través de voladuras de banco, anillo o deriva en
cantera (Strelec et al. .2000). Debido a una implementación de mina a
alguna forma). La fragmentación de la roca depende no solo de la
molino en la mina Red Dog, la mina logró ahorros superiores a $30
entrada de energía al sistema, sino también de la distribución de energía
millones por año (Paley y Kojovic2001). El mismo proyecto identificó un
o energía efectiva utilizada en la fragmentación de la roca. En este
beneficio adicional, una marcada reducción en el tamaño de
sentido, la mayoría de los factores se han discutido en otros lugares (p.
alimentación SAG y la variabilidad del rendimiento (Kojovic2005). Un
ej., Ouchterlony2003a,2010; zhang2016a) y se pueden dividir en tres
segundo beneficio, pero importante, fue la reducción del desgaste en la
grupos: (1) explosivo e iniciador, (2) roca y (3) distribución de energía y
trituradora giratoria, lo que resultó en un período significativamente
eficiencia energética, como se muestra en la Fig.6b.
más largo entre revestimientos.
Hay una serie de modelos de fragmentación para voladuras en
banco. Dichos modelos (ver detalles en la Secc.5) describen el efecto
compuesto de un número limitado de los mencionados
tabla 1
Energía de trituración (kwh/t) o rendimiento del molino (tph) versus carga específica
Mío
Específico
Energía trituradora
cargar
(estándar)
o rendimiento del molino
cargo (mío
(estándar)
al molino)
Específico
Energía de trituración o
Disminución de la trituración
rendimiento del molino (mina a
energía o aumento en el
molino)
rendimiento del molino por mina a
Referencia
molino (%)
piedra de la suerte
0,26 kg/t
1,77 kwh/t
0,47 kg/t
1,57 kwh/t
− 11
Mc Kee (2013)a
1,15 kg/m3
3500–4000 toneladas por hora
1,62 kg/m3
5000 toneladas por hora
25–40
Danza et al. (2007)
Bealón
cantera
cielo abierto
el mío en
Sur
America
aDatos
originales de Kojovic et al. (1995) y Adel et al. (2006)
13
756
Z.-X. Zhang et al.
Figura 6Principales factores que influyen en la fragmentación de rocas por voladuras
factores en la fragmentación, lo que indica que esos modelos están lejos
La velocidad de detonación (VOD) es una de las propiedades
de ser completos. Los modelos de voladura de anillo o ventilador son
más importantes de un explosivo, porque la presión máxima de
rudimentarios en comparación. La mayoría de los factores que influyen
la onda de detonación aumenta con un VOD creciente de
en la fragmentación se enumeran en la Fig.6b y se discuten a
acuerdo con la teoría de detonación unidimensional (1D) (p. ej.,
continuación.
Cooper 1996; Zukas y Walters1997; Fickett y Davis2000; zhang
2016a) . La teoría 1D indica que
3.1 Explosivo e Iniciador
3.1.1 Explosivo
La energía de explosión (o calor), la VOD (velocidad de detonación) y
la densidad de un explosivo tienen un grado variable de impacto en
la fragmentación de la roca. La energía de explosión se puede
determinar por diferentes métodos, como códigos termodinámicos
y medidas experimentales (Sanchidrian et al. 2007). Estos últimos
incluyen la prueba subacuática (Bjarnholt y Holmberg1976;
Mohanty1999) y la prueba del cilindro (Nyberg et al.2003). Dado que
no existe un método de prueba universal para determinar la
energía explosiva, a menudo se utilizan cálculos termodinámicos
para evaluar la energía de los explosivos.
13
pagCJ=∙VOD2+ 1 ≈ ∙VOD2
4
dóndepag CJi
Jouguet) presión de detonación,
s el CJ (Chapman-
la densidad inicial y
el
gamma adiabática del explosivo, respectivamente. La presión de
detonación CJ es válida para una carga cilíndrica confinada
radialmente rígida, o para una carga de diámetro infinitod, dentro
de la cual la zona de reacción es insignificantemente delgada y la
reacción química ocurre instantáneamente. Para cargas finitas, el
VOD aumenta con el aumento del diámetro de la carga explosiva,
acercándose gradualmente a un valor límite en diámetros grandes
(por ejemplo, Sun et al.2001). Al graficar datos VOD vs.∕d, los datos
están, en muchos casos, bien representados por una línea recta,
como se muestra en la Fig.7. El comportamiento correspondiente
en VOD lineal vs.del espacio se muestra en Sun et al. (2001) o en la
Fig. 8.7 de Zhang (2016a).
757
Reducción del tamaño de los fragmentos desde la minería hasta el procesamiento de minerales: una revisión
Figura 7VOD vs inverso del
diámetro del barreno (carga
completa) (basado en los datos de
medición de Sun et al.2001)
VOD tiene un impacto en la fragmentación de rocas (p. ej.,
el análisis de Zhang (2016a). Por ejemplo, las emulsiones se pueden usar
Ouchterlony2003a; zhang2016a). Por ejemplo, los experimentos de
en pozos relativamente pequeños, pero los ANFO deben usarse en los
voladura de Bergmann et al. (1973), Nielsen y Kristiansen (1996) y
grandes para tener un VOD suficientemente alto (ver Fig.7). Sin
Michaux y Djordjevic (2005) mostró que el explosivo con mayor VOD
embargo, esta conjetura aún necesita más voladuras de producción para
producía una fragmentación más fina, incluso si Ouchterlony (
ser verificada. Además, las emulsiones son resistentes al agua pero los
2003a) cuestionó la propuesta de Bergmann et al. conclusión. De
ANFO no, por lo que en la práctica se utilizan ampliamente mezclas o
manera similar, los experimentos de Kurokawa et al. (1993) indicó
mezclas de ANFO y emulsión, para que puedan cargarse en pozos
que el área superficial de la fractura aumentó ligeramente con un
húmedos y rocas relativamente duras (Olofsson1999; zhang2016a).
VOD creciente (ver Fig.5en su artículo).
La fragmentación de la roca no siempre se mejora aumentando el
La descripción anterior indica que el cambio en VOD a veces
VOD, por ejemplo, cuando el VOD del explosivo es más pequeño que la
influye en la fragmentación de la roca, pero no siempre. Del mismo
velocidad de la onda P de la masa rocosa que se va a explotar, pueden
modo, Ouchterlony (1997), utilizando resultados de voladura de
ocurrir fallos de encendido en el explosivo o en el detonador (Zhang
Jokinen e Ylätalo (1995, 1996), mostró que para explosivos de bajo
2016a). La razón es que la onda P puede, a través de la roca, adelantarse
VOD, la longitud de la fisura aumentaba con el aumento de VOD,
a la detonación y propagarse hacia el explosivo sin detonar y hacer que
pero para explosivos de alto VOD, la longitud de la fisura no
falle a través del llamado prensado muerto. Si además, hay un
dependía del VOD. Por lo tanto, es necesario realizar más estudios
detonador en el explosivo sin detonar, el detonador podría dañarse
sobre la relación entre VOD y la fragmentación, así como la longitud
antes de disparar. Dichos detonadores dañados se encontraron en
de la fisura, teniendo en cuenta que diferentes tipos de voladuras y
barrenos de varias cubiertas (p. ej., Farnfield y Williams2011; Mencacci y
diferentes rocas pueden dar resultados diferentes.
Farnfield2003). Por lo tanto, la roca con alta velocidad de onda P debe
ser volada usando explosivos de alto VOD, mientras que la roca con baja
velocidad de onda P debe ser volada usando explosivos de bajo VOD de
3.1.2 Iniciador
acuerdo con
El iniciador de la carga del barreno puede ser un detonador o un
cordón detonante. De los tres tipos comunes de detonadores, los
detonadores electrónicos de retardo son los más precisos.
13
758
tiempo de iniciación, y algunos de ellos tienen una dispersión de
Z.-X. Zhang et al.
Las condiciones geoestructurales, tales como fallas, diaclasas, ropa
iniciación de menos de 1 ms. Los detonadores eléctricos y no eléctricos
de cama y grietas intrínsecas, en el macizo rocoso generalmente
con un elemento de retardo pirotécnico tienen un error de iniciación
influyen en la propagación de ondas de tensión y ondas de choque
mucho mayor, en la práctica minera a menudo de varios o decenas de
(Zhao y Cai2001; li y ma2009). Como resultado, afectan la fragmentación
milisegundos, lo que significa que pueden disparar considerablemente
de la roca si la amplitud de la onda excede la fuerza de la roca. En la
antes o después de sus tiempos de iniciación nominales. Este error
producción minera, una falla deslizante en un cuerpo mineralizado
puede provocar una fragmentación deficiente en la producción minera o
puede cortar (cortar) un pozo de voladura y finalmente dejarlo sin carga,
un daño de voladura más profundo en la voladura de contorno. Los
lo que resulta en una fragmentación deficiente, como se muestra en la
detonadores electrónicos brindan una enorme flexibilidad en la
Fig.8a. Tenga en cuenta que si una discontinuidad como una junta o
selección del tiempo, lo que permite una interacción de pozos vecinos y
grieta está abierta o cerca de ser una superficie total o parcialmente
patrones de movimiento de rocas muy diferentes, además de ser muy
libre, la grieta tendrá un gran impacto en la fragmentación debido a los
precisos, y pueden usarse para mejorar las voladuras de contorno y el
reflejos de las ondas y los efectos de detención de grietas (Zhang2016a).
control de vibraciones donde se requiere un inicio preciso. Sin embargo,
Si se cierra una fisura y se ubica dentro de un macizo rocoso, estos
no hay garantía de que se pueda lograr una mejor fragmentación
efectos serán mucho menores.
utilizando detonadores electrónicos. Solo el tiempo de iniciación preciso,
Las altas tensiones in situ afectan la fragmentación de la roca.
sin el tiempo de retardo correcto y otros parámetros, rara vez es
Cuando las tensiones in situ son altas, las resistencias de las rocas in situ
suficiente para producir una mejor fragmentación. A pesar de que los
también lo serán, debido al gran efecto de la presión de confinamiento
detonadores electrónicos tienen muchas ventajas sobre los detonadores
sobre las resistencias de las rocas y la tenacidad a la fractura (p. ej.,
pirotécnicos como Nonel, el costo de los detonadores electrónicos sigue
Goodman 1989; Jaeger et al. 1969; Zhang2016a). Por ejemplo, las altas
siendo mucho mayor que el de los detonadores pirotécnicos. En muchos
tensiones in situ pueden causar la rotura del pozo y hacer que sea
casos, si los tiempos de retardo se diseñan cuidadosamente, los
imposible cargar explosivos en el pozo, como se muestra en la Fig.8b.
detonadores pirotécnicos pueden producir resultados similares a los
Este fenómeno es común en la minería profunda donde las tensiones in
detonadores electrónicos.
situ suelen ser altas (Ghosh et al.2015). El cizallamiento o rotura de los
3.2 roca
pozos antes mencionados es una de las razones de los fallos de
encendido que se producen en las minas subterráneas.
Una roca con mayor energía específica de fractura requiere más
La fragmentación de rocas por voladuras está potencialmente
energía para romperse (Zhang y Ouchterlony2022). La
influenciada por muchos factores relacionados con las rocas. Varios de
fragmentación también se ve afectada por el agua y la temperatura
ellos se muestran en la Fig.6. Se pueden dividir en grupos de la siguiente
en la roca. Bajo cargas estáticas o condiciones de baja tasa de
manera: (1) geoestructuras tales como fallas, juntas, planos de lecho y
carga, la roca húmeda es más fácil de fracturar, ya que sus valores
otras discontinuidades; (2) densidad, velocidades sónicas, resistencias,
de resistencia y tenacidad a la fractura suelen ser menores que los
tenacidad a la fractura, etc.; (3) esfuerzos in situ; (4) otras condiciones
de la roca seca (Feng et al. 2001; Yilmaz2010; Willard y Hjelmstad
ambientales como el agua, etc. Los datos del grupo (1) normalmente se
1971; lobos 1972; singh y sol1990; Haberfield y Johnston1990; Lim
denominan propiedades del macizo rocoso y los del (2) propiedades del
et al.1994). Bajo cargas dinámicas, la roca húmeda con poros llenos
material rocoso.
de agua es un mejor transmisor de ondas que la roca seca, ver,
Figura 8Pozo cortado por falla (a) y el pozo se rompió debido a las altas tensiones in situ (b) (después de Zhang2016a)
13
759
Reducción del tamaño de los fragmentos desde la minería hasta el procesamiento de minerales: una revisión
por ejemplo, Tilert et al. (2007), quienes encontraron que una muestra
el plan, el espaciamiento y la carga a menudo se determinan
empapada de granito de grano fino tenía una velocidad de onda P de
mediante métodos empíricos (p. ej., Langefors y Kihlström 1967;
4840 m/s, un 8 % más alta que la de las muestras secas. En
Kou y Rustan1992; zhang2016a).
consecuencia, se ha encontrado que la fractura y fragmentación de la
roca es mejor en roca húmeda (Fourney et al.1981; Tilert et al. 2007;
3.3.2 Derivación
zhang 2016a).
Aunque la fragmentación de la roca se ve afectada por las
En ingeniería civil y minera, el despalillamiento se usa ampliamente en
geoestructuras y otras propiedades del macizo rocoso, aún es difícil o
voladuras de superficie o voladuras en pozos perforados hacia abajo,
costoso detectarlas en la ingeniería minera. Para superar esto, una
pero no siempre en voladuras subterráneas con pozos perforados hacia
propiedad física del macizo rocoso, la impedancia característica o
arriba, aunque hay buenos ejemplos del uso de despalillamiento en
impedancia acústica (el producto de la densidad y la velocidad sónica del
minas subterráneas (Oates y Spiteri).2021). En la excavación de túneles,
macizo rocoso), puede desempeñar un papel importante, ya que
tampoco siempre se emplea la derivación. Las mediciones en una mina
describe la reflectividad de la onda en discontinuidades como juntas y
subterránea indicaron que tanto como el 50% de la energía explosiva
juntas. grietas en la masa rocosa (Zhang2016a; Zhang et al.2020c,d). En
escapaba de los pozos de voladura en forma de gases cuando los pozos
particular, dado que las velocidades sónicas de los macizos rocosos se
no estaban taponados (Brinkmann 1990). Voladuras modelo (Fourney et
pueden medir en el campo mediante un sistema sísmico (o monitores de
al.1988) indicaron que la presión máxima en un pozo con pedúnculo era
vibración) y las densidades de los macizos rocosos se pueden
aproximadamente de dos a tres veces más alta que en un pozo sin
determinar mediante muografía (Zhang et al.2020c; Holma et al.2022) o
pedúnculo. Explosiones a pequeña escala (Zhang et al.2020a) mostró
un método geofísico, se pueden determinar las impedancias de los
que al menos el 25 % de la energía explosiva se desperdiciaba cuando
macizos rocosos y se pueden evaluar los macizos rocosos. De esta
no se usaba despalillado, es decir, para obtener la misma fragmentación
manera, se puede hacer un diseño de voladura utilizando información
mediana para un espécimen con un collar abierto que para un collar
más detallada del macizo rocoso.
destalonado se requería un 25 % más de explosivos. Las voladuras de
producción minera demostraron que cuando los recortes de perforación
3.3 Distribución y Eficiencia Energética
se reemplazaban por agregados como despalillado, se mejoraba la
fragmentación de rocas y el rendimiento del molino (Kojovic2005). Las
La distribución de energía y la eficiencia energética en la voladura de
voladuras de producción de canteras indicaron que el despalillado más
rocas dependen en gran medida del diseño de la voladura. En
largo (4,5 m) produjo más cantos rodados que el despalillado más corto
consecuencia, la siguiente descripción trata principalmente de ese tema.
(3 m) (Cevizci y Ozkahraman 2012). Cevizci (2012) encontraron que un
método de despalillado de yeso producía una mejor fragmentación y un
3.3.1 Plan de simulacro
costo más bajo que el método de despalillado de recortes de perforación
en las pruebas de voladura de tres canteras. Explosiones a pequeña
Un plan de perforación involucra el diámetro, la longitud, la carga, el
escala (Zhang et al.2021b) mostró que los diferentes tipos de retacado
espaciamiento, la subperforación, el número y la distribución de los
afectaron la fragmentación de la roca, por ejemplo, el retacado completo
pozos en una voladura. El diámetro de los pozos se puede elegir
con arena produjo una fragmentación mejor (más fina) que el retacado
empíricamente (por ejemplo, Adhikari1999). El diámetro debe ser mayor
parcial con acero. En teoría, tanto el material como la longitud de la
que el diámetro crítico del explosivo para evitar el mal funcionamiento
derivación influyen en la fragmentación de la roca, y la longitud de la
del explosivo (Zhang2016a). La longitud de los pozos depende
derivación puede determinarse mediante algunas fórmulas basadas en
principalmente del plan de minería y la desviación. Dado que la
el VOD del explosivo, la velocidad de la onda P de la roca, la longitud de
desviación del fondo de un pozo puede ser de hasta el 10% de la carga
la carga y un coeficiente ( zhang 2016a). Sin embargo, esas fórmulas
nominal (Quinteiro y Fjellborg2008; Vendedores et al. 2013), la longitud
deben validarse mediante ensayos de campo.
de los pozos para la producción minera no debe ser demasiado larga
para evitar una carga/espaciamiento real mayor o menor debido a la
desviación. En cuanto a la longitud de los pozos, la subperforación es
otro parámetro a considerar. La subperforación se usa a menudo en la
3.3.3 Cargos acoplados y desacoplados
minería a cielo abierto y su duración depende de la técnica de voladura,
como la colocación del cebador y el plan de carga de explosivos. Por
Una carga explosiva desacoplada radialmente generalmente da lugar a
ejemplo, cuando se colocan cubiertas de aire en el fondo de los pozos en
grietas radiales más cortas en la masa rocosa restante que una carga
voladuras a cielo abierto, se puede reducir la subperforación, en
explosiva completa. Por ejemplo, cuando se cargó un explosivo Gurit con
comparación con voladuras similares sin cubiertas de aire. En voladuras
un diámetro de 22 mm en un pozo seco con un diámetro de 64 mm, la
de múltiples orificios y múltiples filas, el espaciamiento y la carga tienen
longitud de las grietas radiales inducidas fue de unos 15 cm por detrás
un impacto en la fragmentación de la roca. Similar a otros parámetros
de las semifundiciones. Sin embargo, el mismo explosivo en un pozo de
en un ejercicio
24 mm de diámetro resultó en que las longitudes de las grietas radiales
llegaron a ser de hasta 1 m (Olsson
13
760
Z.-X. Zhang et al.
y Bergqvist1997; Ouchterlony et al.2002). En la práctica, las cargas
energías térmicas (por volumen o por peso de explosivo). Otro
explosivas desacopladas se usan a menudo para reducir las vibraciones
problema es que un cargo específico muy alto normalmente genera
de las voladuras o para producir superficies lisas en el precorte y en las
muchas más multas. Si estos finos consisten en minerales y son
voladuras uniformes (cautelosas), mientras que en las voladuras de
demasiado pequeños para ser recuperados por la tecnología actual
producción minera se usan normalmente pozos completamente
de procesamiento de minerales, no se debe usar un cargo
cargados de explosivos para maximizar la rotura y producir una
específico tan alto.
fragmentación aceptablemente fina. (Zhang2016a).
En un caso especial en el que se deba reducir la cantidad de
3.3.5 Posición del detonador
partículas extrafinas para aumentar la recuperación de mineral en el
procesamiento de minerales, puede ser una buena opción utilizar cargas
El análisis de ondas de tensión ha demostrado que si cada pozo tiene un
desacopladas en lugar de cargas totalmente acopladas. Esto está
solo detonador, la mejor posición del detonador en anillos de
respaldado por dos grupos de resultados de medición. Un grupo de
hundimiento por debajo del nivel y proyectiles de banco es el punto
resultados indica que la zona triturada es una fuente importante de
medio de la longitud de la carga explosiva (Zhang2005a,2016a; Ylitalo et
partículas finas en la voladura y alrededor del 50 % del peso de las
al. 2021). Simulación numérica (Long et al.2012; Menacer et al.2015; Liu
partículas finas (menores de 1 mm) se genera en la zona triturada de un
et al.2015) y análisis matemático (Gao et al.2020) producen el mismo
equipo completamente cargado (es decir, la relación desacoplada es
resultado que el análisis de ondas de tensión. De manera similar, el
cero). ) barreno (Svahn2002; reichholf2003). El otro grupo muestra que
análisis de ondas de estrés y ondas de choque ha demostrado que para
una carga desacoplada produce una relación más pequeña entre el
pozos largos con dos detonadores, existe una ubicación óptima para
diámetro de la zona triturada y el diámetro del pozo que una carga
ellos (Zhang2014). Tanto las voladuras en minería subterránea como en
completa, y esta relación disminuye al aumentar la relación de
minería a cielo abierto han confirmado que los detonadores ubicados en
desacoplamiento según Chi et al. (2019c) quienes resumieron sus
las ubicaciones óptimas producen una fragmentación más fina (Zhang
propios resultados y los de Iverson et al. (2009) y Sol (2013). Tenga en
2005a,b; Ylitalo et al.2021) y mayor recuperación de mineral (Zhang
cuenta que si el espacio de aire entre la carga y la pared del barreno es
2005a,b,2014; Brunton et al.2010). En cuanto a la posición del detonador,
demasiado grande, el llamado efecto de canal a menudo causará una
se esperan más ensayos.
presión muerta y un corte de detonación. Esto pone un límite más alto
en la relación desacoplada.
3.3.6 Tiempo de retraso
3.3.4 Cargo Específico
Los primeros estudios han demostrado que el tiempo de
retraso influye en la fragmentación (Langefors y Kihlström
La carga específica o factor de pólvora representa el peso explosivo
1967; Winzer et al. 1983). Si las tensiones de dos (o más)
promedio por volumen o por peso de roca a ser volada, por ejemplo, kg/
barrenos retrasados se superponen entre sí, las tensiones
m3o kg/tonelada. Si no se producen fallos de encendido o mal
finales en ciertas áreas o puntos de la roca aumentarán
funcionamiento en el explosivo y los detonadores, una carga específica
considerablemente. Como resultado, la utilización de energía
más alta significa más energía de explosión suministrada por volumen o
final en voladuras aumentará notablemente, al menos
por peso de roca, lo que debería, en general, resultar en una
localmente. Sin embargo, esto sucedería solo cuando el tiempo
fragmentación más fina (Zhang2016a). Los experimentos de laboratorio
de retardo entre los dos agujeros es muy corto en comparación
han indicado que una carga específica mayor aumenta tanto la
con los tiempos de retardo normales. Además, se requieren
triturabilidad como la molturabilidad de un mineral de hierro con
detonadores con un tiempo de iniciación preciso, por ejemplo,
bandas de cuarzo de bajo grado (taconita), un mineral de nefelina sienita
detonadores electrónicos. Para otro tipo de detonadores como
y un mineral de ilmenita (Nielsen y Kristiansen1996; Ouchterlony2003b).
los detonadores pirotécnicos de retardo, la mencionada
Experimentos similares mostraron que el mineral de cobre oxidado
superposición de tensiones es muy limitada o imposible, ya que
chorreado con una carga específica más alta producía un área de
sus tiempos de retardo suelen ser demasiado imprecisos.
superficie más grande que el que tenía una carga específica más baja
Incluso en el caso de que se utilicen detonadores electrónicos
por gramo de mineral (Fribla2006). Además, Fribla encontró que la
en voladuras de orificios múltiples, si se emplea un tiempo de
recuperación de Cu aumentaba con el aumento de la carga explosiva.
retardo de 30 ms o más,2016a). Rossmanith (2002) y
Una carga específica más alta no necesariamente da como resultado una
Rossmanith y Kouzniak (2004) utilizando la teoría de ondas de
fragmentación más fina si se producen fallos de encendido. Por lo tanto,
tensión describieron cómo se podría lograr un efecto positivo
cuando se hace un plan de voladuras, se debe considerar la posibilidad de
de la interacción de ondas de tensión entre dos pozos de
fallos de encendido, especialmente cuando se planea el uso de una carga
voladura con un tiempo de retardo corto entre ellos. Las
específica alta. Además, cuando se utilizan diferentes explosivos en múltiples
voladuras a gran escala con tiempos de retardo cortos de
voladuras, se debe tener cuidado de comparar los resultados de las voladuras
Vanbrabant y Espinosa (2006) indicaron que la fragmentación
por valor de carga específico en kg/m3.3o kg/tonelada solo, ya que diferentes
mejoró, pero otras voladuras a gran y pequeña escala
explosivos suelen tener diferentes explosiones/
13
761
Reducción del tamaño de los fragmentos desde la minería hasta el procesamiento de minerales: una revisión
explosiones (por ejemplo, Stagg y Nutting1987; Katsabanis et al.2006;
por rocas estériles móviles o materiales minerales (Janelid y Kvapil
Johansson y Ouchterlony2013; Petropoulos et al.2014) no produjo una
1966; Johansson y Ouchterlony2013; zhang2014; Zhang y Wimmer
fragmentación mejor o mucho mejor cuando se utilizaron tiempos de
2018). Además, aunque exista una superficie libre en una voladura
retardo muy cortos. Sin embargo, al observar el resultado de las
de orificios múltiples, una barrera puede estar frente a una
voladuras a gran escala de Petropoulos et al. (2014) (ver el resultado
superficie libre, por ejemplo, en una voladura a cielo abierto.
también en Yi et al.2017) con más detalle, la voladura de producción con
Estudios previos (Duvall y Atchison1957; Hino1959; Field y
un tiempo de retardo de 3 ms produjo la mejor fragmentación, en
Ladegaard-Pedersen1971; Fourney et al.1981; Wilson y Holloway
comparación con las voladuras con tiempos de retardo de 1 ms, 6 ms o
1987; Rossmanith y Uenishi2006; Fourney 2015; zhang2016a)
42 ms, lo que significa que no se puede excluir que un tiempo de retardo
demostraron que las ondas de tensión juegan un papel importante
corto adecuado pueda dar lugar a mejor fragmentación a través de la
en la voladura de rocas. Por ejemplo, una superficie libre hace que
interacción de ondas de tensión entre dos barrenos adyacentes.
una onda de tensión de compresión que incide se refleje en una
Sanchidrián y Ouchterlony (2017) sugieren un tiempo de retardo óptimo
onda de tensión que regresa y que puede dar como resultado una
relativamente largo en su modelo xp-frag. El análisis de fragmentación a
fractura por tensión: desconchado. Además, Fourney (2015) mostró
través del abanico tamaño-energía en un conjunto de voladuras en una
que la onda S inducida por la reflexión de la onda de compresión en
cantera conduce a un retardo óptimo mucho más corto (Sanchidrián et
la superficie libre podría causar grietas en la dirección radial de un
al. 2022). El valor de la demora óptima ha sido un tema de debate en la
modelo de explosión. Curiosamente, en la voladura de modelos (Chi
comunidad de voladuras que sigue siendo tema de discusión, al igual
et al.2019a; Zhang et al.2021a), se descubrieron algunas grietas
que la cantidad de reducción de tamaño (p. ej., de una voladura
radiales en las superficies libres de las muestras de roca, pero no se
instantánea) con dicha demora óptima.
expulsó gas de dichas grietas radiales, lo que significa que estas
grietas radiales se iniciaron desde las superficies libres y no desde
3.3.7 Cubierta de aire
los barrenos. Esto es consistente con el análisis de Fourney (2015)
hasta cierto punto.
La técnica de cubierta de aire, es decir, dejar una (como el fondo) o
Voladuras de modelos cilíndricos (Zhang et al.2020b) encontraron
varias partes del barreno vacías y sin carga, fue desarrollada
que cuando un modelo cilíndrico estaba rodeado por un tubo de acero
originalmente por Melnikov y Marchenko en la década de 1950
cilíndrico concéntrico con aire en el espacio entre el modelo y el tubo se
(Melnikov et al.1978). Esta técnica tiene dos efectos importantes: (1)
lograba una mejor fragmentación que cuando un modelo con una
reducir la amplitud de las ondas de choque iniciales que se
superficie libre parcialmente restringida y un modelo con una superficie
propagan en la roca que rodea el pozo y (2) aumentar la longitud
libre completa. La razón principal es que la barrera es impactada por
total de la onda de choque u onda de tensión que viaja en la roca.
fragmentos voladores que a su vez se fragmentan. Las explosiones con
Estos efectos han sido confirmados por experimentos de
una superficie parcialmente libre causaron una fragmentación más
laboratorio (Fourney et al. 1981,2006; Marchenkomil novecientos
gruesa que las otras dos configuraciones de prueba. La razón principal
ochenta y dos). En varias minas, la técnica de la cubierta de aire
fue que no había una superficie completamente libre, lo que resultó en
aumentó la eficiencia de la excavadora (Melnikov et al. 1978), redujo
una onda de tracción reflejada más pequeña. En varios tipos de
el consumo de explosivos (Melnikov et al. 1978; Mead et al.1993;
voladuras a cielo abierto y voladuras mineras debajo de una pared
Correa2003), mejor fragmentación de rocas (Jhanwar et al.2000),
colgante, existe una barrera frente a la superficie libre. Esto ha sido
subperforación evitada (Correa2003) y disminuyó las vibraciones
estudiado por Rustan (2013) y Zhang (2016a,b;2017).
inducidas por la explosión (Park y Jeon2010). Además, se probaron
plataformas de agua en una cantera y el resultado mostró que esta
3.3.9 Condición de confinamiento
técnica produjo un piso plano y una distribución de fragmentos
satisfactoria sin cantos rodados (Jang et al.2018).
La voladura contra fragmentos de roca compactada ha sido estudiada
experimentalmente (Jarlenfors1980; Wimmer y Ouchterlony 2011;
Johansson y Ouchterlony2013; Sol2013; Rustán 2013; Él et al.2018; Chi et
3.3.8 Superficie Libre y Barrera Cercana
al.2019b,C; Petropoulos et al. 2018; Zhang et al.2020b). Las voladuras
contra macizos rocosos compactados indicaron que la fragmentación
Una superficie libre cerca o cerca de y aproximadamente paralela a un
más fina provenía del 100% de hinchamiento, mientras que la
barreno juega un papel extremadamente importante en la fragmentación de
fragmentación más gruesa procedía del 12,5% de hinchamiento
rocas. Por lo general, esta superficie libre existe, pero a veces no, como en la
(Jarlenfors1980). Aunque los estudios previos trataban sobre voladuras
voladura de cráteres o en las partes posteriores de grandes rondas a cielo
contra materiales compactados, los estudios cuantitativos sobre
abierto. Tomemos otro ejemplo en un techo colgante y voladuras cortadas
fragmentación de rocas han sido escasos hasta el momento (Johansson
para hacer túneles, tal superficie libre está ausente o tiene una extensión
y Ouchterlony2013; Chi et al.2019c; Zhang et al.2020b). Las voladuras a
limitada (Zhang2016a,b). En las voladuras de producción de la minería de
pequeña escala con mortero y granito indicaron que las voladuras
hundimiento por subnivel, dicha superficie libre generalmente está ausente,
confinadas produjeron
ya que la cara recién creada está algo restringida.
13
762
Z.-X. Zhang et al.
fragmentación que voladuras no confinadas (es decir,
voladuras con superficie libre) (Olsson1987; Johansson y
Ouchterlony 2013; Chi et al.2019c).
4 Finos, mezcla de minerales y clasificación de minerales
4.1 Definición de Multas
Las multas es un concepto que depende mucho del tipo de operación y
sus parámetros económicos. En algunas canteras de áridos, los
fragmentos (partículas) menores de 4 mm pueden denominarse finos,
ya que estas partículas tan pequeñas a menudo no se pueden vender
(Moser2004). En el procesamiento de minerales duros, las partículas de
mineral de menos de 50 micrones se definen como finos en este
artículo, porque tales partículas pequeñas, especialmente las más
pequeñas de 20 micrones, a menudo son difíciles de concentrar usando
la tecnología de procesamiento moderna (Wills y Napier-Munn2006).
4.2 Porcentaje en peso de finos de voladuras
Las voladuras modelo que utilizan 9 cilindros de granito muestran
Figura 9Diámetro del barreno vs porcentaje de partículas menores a 32
mm (basado en los datos de Nielsen y Kristiansen1996)
que las partículas finas de menos de 50 micrones están en un rango
de 0,07 % a 0,21 % del peso total de cada cilindro de granito (Zhang
32 mm después de la trituración aumentó al aumentar el diámetro de la
et al.2021b). Utilizando la relación más alta del 0,21 % y suponiendo
perforación con un factor de polvo constante, como se muestra en la Fig.
que una mina de mineral de hierro produce 20 Mt de mineral crudo
9. Este resultado indica que los orificios más grandes producirán más
al año, el total de finos inferiores a 50 micrones será de hasta 42
partículas de menos de 32 mm, incluidos los finos de menos de 50
000 t al año. Dado que la carga específica en las voladuras del
micras. Tenga en cuenta que este resultado es un efecto combinado de
modelo es solo de 0,22 a 0,29 kg/m3, que es significativamente más
la voladura y la trituración y se necesitan pruebas de voladura más
bajo que el cargo específico común utilizado en minas reales, el
detalladas para confirmar si esto es cierto también para los finos
porcentaje de finos menores de 50 micrones en una mina real
generados por la voladura. Por un lado, una zona triturada más grande
podría ser significativamente superior al 0,21%. Suponiendo que la
significa que se producen más partículas pequeñas mediante la voladura
fracción de finos se duplique, la producción anual de finos por
y tales partículas pequeñas, excluyendo los finos, son beneficiosas para
voladura sería de 84.000 t. Además, suponiendo que la mitad de
la producción minera e incluso para la trituración y molienda aguas
dichos finos (< 50 micras) sea mineral de hierro de alta ley y el
abajo. Por otro lado, las multas deben reducirse en las voladuras. Este es
precio sea de 200 USD/t, el valor de los 84.000 t de finos será de
un dilema y un gran desafío para los investigadores e ingenieros en
16,8 MUSD. Por lo tanto, este valor no es ignorable.
ingeniería de minas.
4.3 Origen de las multas en la voladura de rocas
4.4 Mezcla de minerales
La medida (Svahn2002; Reichholf 2013; Kukoli 2021) y simulación
En una mina de metal, el grado y la composición mineral del mineral en
numérica (Iravani et al.2018) mostró que se producían finos tanto
una parte pueden ser diferentes a los de otra. Es importante
dentro como fuera de la zona triturada debido a la ramificación de
comprender la variabilidad del mineral a lo largo del depósito y durante
la grieta. Por ejemplo, para el mineral de hierro, la magnesita y la
la vida útil de la mina. Para proporcionar una alimentación constante y
piedra caliza, alrededor del 50 % del peso del material de menos de
predecible a la planta de procesamiento de minerales, se pueden
1 mm se generó dentro de la zona triturada del barreno, lo que
mezclar diferentes minerales de diferentes partes de la mina en una
significa que el otro 50 % de las partículas finas no procedían de la
proporción adecuada. Este método se llama mezcla de minerales y se
zona triturada (Reichholf 2013).
usa en muchas minas. Por ejemplo, después de la mezcla del mineral en
Nielsen y Kristiansen (1996) realizó una serie de voladuras a
un proyecto de mina a molino, la mina Thalanga logró recuperaciones
gran escala con diferentes diámetros de pozo: 76, 89, 102 y 114
más altas en Zn, Cu y Pb (McKee 2013). El propósito de la mezcla de
mm. Después de la voladura, el lodo se trituró en partículas de
minerales es simplemente proporcionar una alimentación de molienda
menos de 70 mm y luego se tamizó a 32 mm. Se encontró que
uniforme, de modo que los procesos posteriores puedan ser
la proporción de partículas más pequeñas que
13
763
Reducción del tamaño de los fragmentos desde la minería hasta el procesamiento de minerales: una revisión
ajustado, lo que ayuda a mejorar la eficiencia de producción y
definió, a partir de datos experimentales, la siguiente función de
reducir los costos de producción.
densidad de probabilidadF(X):
El diagrama de flujo del proceso de una planta concentradora
generalmente se optimiza para un cierto grado de cabeza definido
y, en consecuencia, es importante mantener constante la calidad de
la alimentación para poder optimizar la calidad del producto final.
Para hacer un uso racional de los recursos y aumentar la vida útil de
las minas, los operadores deben equilibrar el uso de mineral de alta
y baja ley tanto como sea posible (Liu et al.2021).
( )X
F(X) =norte
norte−1
XC
[()
exp -
X norte]
,
XC
(2)
dóndenortees el índice de uniformidad,Xes el tamaño de la malla, yXCes
el tamaño característico. La función de probabilidad acumulada
(X)es el siguiente:
[(
(X) =PAG(X≤X) =1 − exp −
4.5 Clasificación de minerales
)
X
XC
norte]
,
(3)
dóndeXes el tamaño como variable aleatoria yPAGdenota
La heterogeneidad del mineral podría ser un gran problema para
probabilidad. En 1939, Waloddi Weibull utilizó esta distribución para
optimizar la alimentación del molino y existe una gran necesidad de
representar la fuerza aleatoria de los materiales (Weibull1939).
reducir la cantidad de materiales de desecho antes de que ingresen al
Publicó un artículo definitivo en 1951 (Weibull1951) donde mostró
circuito de molienda que consume mucha energía. Esto requiere no solo
muchos ejemplos de propiedades siguiendo la distribución,
una mezcla eficiente sino también la detección de la heterogeneidad del
incluidos algunos tamaños relevantes (no de fragmentos de roca).
mineral triturado primario. La clasificación del mineral se puede realizar
Weibull se llevó toda la fama entre estadísticos e ingenieros, por lo
mediante el análisis continuo de los materiales, por ejemplo, con un
que la distribución suele llamarse hoy solo por su nombre. La
analizador XRF (Auranen et al.2021). Hay varias tecnologías de
distribución acumulativa de Rosin-Rammler-Weibull (RRW) también
preconcentración que se pueden aplicar en cada etapa del
se puede escribir utilizando como parámetro de escala el tamaño
procesamiento de minerales y uno de los métodos más recientes es la
medio del fragmento,X50en lugar deXC
[(
clasificación de minerales a granel (BOS), que separa mecánicamente el
mineral de la roca estéril antes de que los materiales ingresen a la
molienda y puede reducir potencialmente los costos de procesamiento.
y mejorar la economía de la mina (Li et al.2019).
(X) =PAG(X≤X) =1 − exp − ln 2
)]
X
.
X50
norte
(4)
Tenga en cuenta que la forma común de representar las distribuciones de
tamaño acumulativo de los fragmentos de roca en la minería es log-log,
5 modelos de predicción de fragmentación
y fórmulas
Ouchterlony y Sanchidrián han realizado una revisión amplia de las
ecuaciones de predicción para la fragmentación de explosiones (2019).
La mayoría de las ecuaciones de predicción se aplican a las voladuras de
mientras que en ingeniería civil es semi-log (lineal).PAGy registroX).
El primer uso de Rosin-Rammler-Weibull para una
distribución de tamaño de fragmentos de roca de voladuras fue
realizado por Baron y Sirotyuk (1967) y Koshelev et al. (1971);
luego, la primera “fórmula de fragmentación” surgió a raíz de
ese trabajo de Kuznetsov (1973).
banco; sin embargo, probablemente se puedan aplicar con precaución a
otras geometrías de voladura adaptando los diferentes parámetros
(carga, espaciamiento, etc.).
5.2 El modelo Kuz-Ram
El origen del modelo Kuz-Ram es la fórmula de Kuznetsov
5.1 Funciones de distribución de tamaño para fragmentos de
roca: Rosin-Rammler-Weibull
El enfoque clásico para predecir la fragmentación es asumir una
función de distribución y usar fórmulas empíricas para calcular sus
parámetros. A la pregunta de qué distribución se debe usar, no hay
una respuesta simple y esto debe ser estudiado. Probablemente, la
primera contribución a las distribuciones de tamaño de partículas
fue hecha por Paul Rosin y Erich Rammler, con contribuciones
finales de Karl Sperling y John Bennet (Rosin and Rammler1933). Su
(Kuznetsov1973). Los datos utilizados para derivar su fórmula
fueron unas 11 pruebas de voladura realizadas por Koshelev en
bloques en gran parte no descritos, probablemente de un solo
orificio. El explosivo utilizado fue RDX. El hecho de que Kuznetsov
escriba su ecuación para el tamaño "medio" de los fragmentos (y no
la mediana, x50) ha traído cierta controversia. De hecho, no queda
claro en el artículo de Kuznetsov si la fórmula se aplica siquiera aXC,
ya que menciona que la media < x > xCpor lo de siemprenorte
valores. La fórmula es la siguiente:
X=ac−4∕5q1∕6 −2∕3,
(5)
interés era básicamente la distribución del tamaño de las partículas
del carbón. Ellos
donde <X> (cm) es el tamaño medio del fragmento,Aes el factor de
resistencia de la roca,qes la carga específica (kg/m3),qes el
13
764
Z.-X. Zhang et al.
masa explosiva por orificio (kg), y es el equivalente en TNT
del explosivo. A partir de los parámetros que influyen en el
proceso de fragmentación,Aviene del lado de la roca,qy
vienen del lado explosivo, yqes un factor de escala. Para la
5.3 El modelo SveDeFo
El SveDeFo (Langefors y Kihlström1963; Holmberg 1974; Larson
1974) modelo utiliza una distribución RRW, con factor de forma
fórmula a gran escala, Kuznetsov (1973) eliminó el equivalente de
constantenorte= 1,35 y tamaño de fragmento mediano de la
TNT en la ecuación.5.
siguiente manera:
Cunningham (1983) recogió la fórmula de Kuznetsov. el
lo escribio
(√
X50= 0,143B2
[
X=ac−0,8q1∕6 mi
]−19∕30
115
)
1.25
S∕B
0.29(
C
)
[
1.35
cuadrados
(
LC
1 + 4,67 1 −
Lh
) ]2.5
(9)
(6)
,
.
Se aplican unidades SI.ses la fuerza relativa a la dinamita LFB (s
dóndemies aquí energía del explosivo relativa a ANFO, o “Relative
ANFO=0,84),Cla
Weight Strength” (RWS en %); el factor 115 es el RWS de TNT. La
la longitud del agujero. Algunos de estos datos fueron clasificados para
ecuación se puede invertir fácilmente para obtener la carga
diferentes tipos de rocas por Sanchidrián et al. (2002).
específica necesaria si se requiere una cierta fragmentación media.
constante de la roca,LCla longitud de la carga yLh
El modelo SveDeFo es contemporáneo al de Kuznetsov (1973)
Cunningham escribióXcomo el tamaño de fragmento "medio", pero
fórmula (Ec.6), y no evalúanortecualquiera, pero sugiere el valor
de hecho lo trató como el tamaño mediano.
tentativonorte=1,35. Incorpora un término rock (C), un término explosivo
La segunda parte del modelo Kuz-Ram es una fórmula de predicción
(el productocuadrados), un término de escala (carga B), y algo de
para el exponente RRWnorte(Cunningham1983). Sin embargo, no se da
información de diseño: la relación entre el espacio y la carga (S/B) y la
ninguna referencia sobre el conjunto de datos del que se deriva esta
relación entre la longitud cargada y la longitud del orificio (LC/Lh).
expresión.
(
=2.2 - 14
B
d
)(
W
1B
)(
)
S∕B−1LC,
1+
2
H
5.4 El modelo de Kou-Rustan
(7)
dóndeBes la carga (m),del diámetro del agujero (mm),S/B la relación
espacio-carga,LCla longitud de la carga (m), yH la altura del banco
Kou y Rustan (1993), basado en extensas pruebas de explosión
modelo en mortero magnético y datos de la literatura, y fórmulas
anteriores de Rustan y Nie (1987), derivó la siguiente expresión:
(m).Wes descrito por Cunningham como 'la desviación estándar de
X50= 0,01
la precisión de perforación' aunque, este concepto no tiene un
B)0.5B0.2
(C0.6
pag) (S∕
significado claro, se usa comúnmente la desviación de perforación
promedio en el fondo del pozo (m). Para taladrado escalonado, la
calculadanorte-el valor debe aumentarse en un 10%. Cunningham (
1987) incorporó el índice de explosividad de Lilly
,
(10)
dóndeρes la densidad de la roca,Cpagla velocidad de la onda P de la roca,
y Dla velocidad de detonación.
SveDeFo y Kou y RustanX50fórmulas son contradictorias
en la influencia deS/B(probablemente como resultado de
(lirio1986) como proporcional al factor de roca de Kuz-RamA
A=0.06(RMD+RDI+AF),
(LC∕H)0.7D0.4q
(8) borrado de datos limitados e inexactos). Incorpora términos de roca
donde RMD es un término descriptivo del macizo rocoso relacionado con
(r, cpag), términos explosivos (q,D), un término de escala (B), y
alguna información de diseño (S/ByLC/H).
el espaciamiento y la orientación de las diaclasas con respecto al frente,
RDI es una función de la densidad y HF es una función de la resistencia.
Con el transcurso del tiempo, el modelo Kuz-Ram experimentó algunos
refinamientos y modificaciones (Cunningham1987,2005).
La fórmula de Kuznetsov en la ecuación.6es físicamente sólido, ya
que significa que, por ejemplo, cuanto mayor es la carga específica, más
pequeños son los fragmentos. Sin embargo, la división de la
dependencia entre los datos de rocas/explosivos para el tamaño
"medio" y los datos geométricos para el índice de forma no está
5.5 El modelo de Chung-Katsabanis
Chung y Katsabanis (2000), utilizando datos de Otterness et al. (
1991), 29 voladuras de mediana escala en dolomía, propusieron
las siguientes ecuaciones paraX50(percentil 50 o mediana) y X80(
percentil 80):
X50=AQ−1.193B2.461(S∕B)1.254H1.266
(11)
X80= 3AQ−1.073B2.43(S∕B)1.013H1.111.
(12)
respaldada por ninguna teoría. Existe una falta considerable de
información específica escrita sobre los datos fuente de los que se
obtuvo el exponente RRW.
Lo interesante de este modelo es el cálculo de diferentes tamaños a
partir de los datos de voladura (elnorte-la fórmula es directamente
derivable deX50yX80). Después de la sustitución de =q∕BSH
13
765
Reducción del tamaño de los fragmentos desde la minería hasta el procesamiento de minerales: una revisión
en ecuaciones11y12, se puede demostrar queX50es esencialmente una
roca fuerte (ver detalles en Kanchibotla et al.1999; Thorton et al.2001). El
función de la carga específica solamente (los otros exponentes son muy
modelo de la zona de aplastamiento es en gran medida arbitrario. En él,
pequeños) y no es un término de escala.X80muestra una dependencia
diferentes modos de fragmentación están representados por la misma
funcional similar aX50más un término de escala (B). El modelo de Chung
distribución (aunque con diferentes parámetros). Hay evidencia (Svahn
y Katsabanis agrega poco al modelo de Kuznetsov y se derivó de datos
2002; reichholf2003) que los finos también se generan fuera de la zona
relativamente limitados.
de aplastamiento; esto está respaldado por estudios numéricos y
experimentales recientes sobre cilindros circulares volados (Iravani2020;
Kukolj2021). El primer cálculo de la extensión de la zona de
5.6 El modelo de la zona de aplastamiento (CZM)
aplastamiento es demasiado simplista y los efectos de la tasa de carga
A fines de la década de 1990, se descubrió que la distribución de RRW
predecía muchas menos multas de las que produce la fragmentación
real. El modelo de zona de aplastamiento (CZM) fue desarrollado por
Kanchibotla et al. (1999) y Thornton et al. (2001). La distribución del
sobre la resistencia de la roca y la tenacidad a la fractura de la roca no se
consideran en absoluto. Esén et al. (2003) y Onederra et al. (2004)
proporcionan fórmulas mejoradas. El modelo de zona de aplastamiento
es uno de los modelos de predicción de fragmentación más utilizados.
tamaño de los fragmentos tiene dos partes: gruesos y finos. La parte
gruesa resulta de la rotura por tracción y se puede predecir con el
modelo Kuz-Ram. Se supone que los finos se originan en la zona de
aplastamiento que rodea el pozo exclusivamente, debido a fallas por
compresión/corte. El radio de la zona de aplastamiento se calcula a
partir de un campo de tensión elástico estático plano (2D). Se supone
arbitrariamente que el tamaño máximo de las partículas de la zona de
aplastamiento es de 1 mm. En la zona de aplastamiento, el esfuerzo de
compresión es mayor que la resistencia a la compresión de la roca, es
decir, un cilindro de radio
(
C=R
)
PAG1∕2
h
(13)
C
{
) norte
]}
F
X
X50F
{
[
(
)
(
)
X
+ 1 -FC
1 - exp − en 2
X50C
PAG(X) =FC
[
(
1 - exp − en 2
norte]}
(dieciséis)
C
FCes la fracción de roca que falla bajo compresión cortante (la
tensión. SubíndicesFyCaplicar a los componentes finos y gruesos,
presión de detonación. En el CZM, se utilizan dos expresiones para
la distribución de tamaño, injertadas en un determinado punto de
cambio. Para la parte gruesa, las predicciones del modelo Kuz-Ram
paraX50ynorte pararse. Para la parte de los finos se presentan dos
casos en función de la resistencia de la roca. Para roca fuerte (C>50
MPa), el punto de injerto esX50: la sección gruesa,X≥X50se calcula
con el modelo Kuz-Ram. ParaX<X50, se utiliza una segunda función
RRW que pasa por (X50,PAG50= 0,5) y con una fracción que pasa a 1
mm igual aFC
(
PAG(X) =1 -mi−en 2
X
)
PAG(X) =1 -mi−en 2
X
(14a)
, X≥X50
)
de experimentos de voladura sobre piezas de roca en una cámara
cerrada. A la distribución de tamaños de los fragmentos resultantes
se le sumó un RRW bimodal (Eq.dieciséis) está equipado. ElX50FyX50C
los valores obtenidos en el ajuste se utilizan para retrocalcular los
factores de roca para las fracciones gruesa y fina, a partir de la
ecuación de Kuz-Ram (es decir, la ecuación de Kuznetsov). El
exponente fino de la voladura del espécimen se usa para la
distribución de voladuras a gran escala, mientras que Djordjevic usa
nfines
X50
en - en 1 -FC
)
ya que se podría haber usado el experimental).
El modelo de dos componentes utiliza una función más
poderosa: un bimodal, con 5 parámetros, que puede representar
, x < x50
(14b)
∕en 2
(
)
en 0.001∕X50
distribuciones de tamaño de manera bastante eficiente en una
gama más amplia de tamaños. El problema es alimentar los 5
parámetros al modelo, para lo cual se deben utilizar datos
donde el índice de uniformidad de los finos,nortemultas, se calcula por
(
respectivamente. Los parámetros de la función se obtienen a partir
el exponente Kuz-Ram para la fracción gruesa (sorprendentemente,
norte
X50
(
multas=
Este modelo fue desarrollado por Djordjevic (1999), como sigue:
'zona de aplastamiento') y 1 −FCes la fracción de roca que falla bajo
PAGhfue citada en el trabajo original de los autores como la
[
5.7 El modelo de dos componentes
]
experimentales. Aunque esto aumenta la calidad del modelo, es
(15)
difícil utilizar el modelo a priori. En cierto modo, tiene cierta
similitud con el modelo de zona de aplastamiento que también usa
dos funciones RRW para las zonas gruesa y fina de la distribución.
Tenga en cuenta que todos los tamaños deben tener las mismas unidades para queX50
en la ecuación15debe escribirse en m.
Para roca débil (σC<10 MPa) y roca intermedia (10 <
σC<50 MPa), existen fórmulas similares a las de
13
766
Z.-X. Zhang et al.
Figura 10Las funciones Swebrec
(línea roja) y RRW (verde)
5.8 El modelo KCO
Este modelo que lleva el nombre de Kuznetsov–Cunningham–
Ouchterlony fue desarrollado por Ouchterlony (2005b) en una
adaptación del modelo Kuz-Ram para hacer uso de la
distribución Swebrec (Ouchterlony2003b,2005a). Esta es una
función de tres parámetros,X50,Xmáximo(el tamaño máximo) yb,
un parámetro de forma
PAG(X) =
1+
1
[
] b.
en(Xmáximo∕X)
(17)
en(Xmáximo∕X50)
Tenga en cuenta que Swebrec no es una función infinita ya que
está restringida aX≤Xmáximo. Por lo general, se dobla hacia arriba en
los finos (Fig.10).X50se calcula con la fórmula de tamaño mediano de
Kuz-Ram yXmáximose estima como
(
)
Xmáximo=minB,S,yos,XIBSD,… ,
(18)
Figura 11
Bosquejo principal del abanico de energía de fragmentación
X50debe estar en mm en el términoX0.25
de ecuaciones19ay19b; B
50
árbitro=4m;
distribución de tamaño de bloque in situ. Por lo general, en voladuras, X
máximo/X50se
encuentra entre 5 y 30. El parámetrobpuede estimarse
mediante las siguientes fórmulas derivadas de las relaciones de los
parámetros de las distribuciones reales del tamaño de los fragmentos:
≅0.5X0.25
en
50
(
=0.4⊖
)
(
Bárbitro
)
0.25
B
[ (
≅2⋅en
13
(19a)
Xmáximo∕X50
Xmáximo∕X50
0.25⊖en
⊖X50
) ]0.39
ver figura10
La característica más relevante del modelo KCO es que
dóndeyoses la longitud del tallo yXIBSDtamaño medio de la
utiliza la función Swebrec en lugar de la RRW. El Swebrec suele
representar fragmentos de roca mucho mejor que el RRW,
especialmente en los finos. El modelo KCO es simple en su
aplicación, ya que no utiliza ninguna fórmula discutible y
complicada para el factor de forma como lo hace el Kuz-Ram.
Requiere una estimación deXmáximosin embargo, y el método de
estimación sugerido es, aunque razonable, algo tosco. A pesar
(
Xmáximo
)
∕X50
de sus beneficios obvios, este modelo no se ha utilizado mucho.
(19b)
(19c)
767
Reducción del tamaño de los fragmentos desde la minería hasta el procesamiento de minerales: una revisión
5.9 ElXPAG‑Frag modelo
0yX0no
es inmediato. Conq0,X0)acercándose al infinito, el caso del
paraleloXPAG-líneas también está cubierto.
Después de alguna manipulación de la Ec.22, se deduce que el
Ouchterlony (2009) hizo una interpretación relacionada con las
explosiones del análisis dimensional de Holsapple y colaboradores
sobre las colisiones de asteroides (Holsapple y Schmidt1987;
porcentaje que pasaPAGdebe ser una función del argumento:
(
enXmáximo∕X
Housen y Holsapple1990). Ouchterlony llegó a la siguiente
expresión para la fracciónPAGde fragmentos de masa inferior a
)
(
enXmáximo∕X50
).
(23)
metro:
(
)
metro
PAG=F1METRO , Πs, Πgramo
Esta es la misma relación logarítmica que se encuentra en la
,
(20)
distribución Swebrec, véase la ecuación.17, y se puede demostrar
además que una función de tipo Swebrec se puede utilizar para laPAG(X,
q) dependencia
dóndeMETROes la masa nominal total fracturada; Πsy Πgramoson
parámetros no dimensionales relacionados con la fuerza y la gravedad.
formulación, Sanchidrián y Ouchterlony (2017) desarrolló una fórmula
de predicción de fragmentación en la forma
()
XPAG =kh
L
2
qe
1
,
L
[
PAG(X) =
F1es una dependencia funcional no especificada. Con base en esta
(21)
dóndeXPAGes el tamaño en el porcentaje que pasaPAG,̃es la resistencia
(con las dimensiones de la tensión) del macizo rocoso,mies la energía
explosiva por unidad de masa, yqes el cargo específico. Les una longitud
1+
PAG) a partir de datos experimentales. Algunas características
influyentes que son relevantes para la voladura de rocas, es decir, las
discontinuidades del macizo rocoso, el espaciamiento de las juntas y el
tiempo de retardo, se incorporaron a la expresión básica Eq.21en forma
de factores multiplicadores; ver Sanchidrián y Ouchterlony (2017) para
detalles.
−
] .b
(24)
100
50−100
las constantesX0,q0,
50y100se
obtienen directamente
determinar a partir de tres pendientes, por ejemplo
=en(4)∕en
[(
enX
)]
(
(50∕X8020∕)X=en(4)∕en
lnX
50
20 −
50
50−
80
)
. (25)
Tenga en cuenta que la ecuación.24puede determinar cualquier
distribución de tamaño a una carga específica dada con solo cinco constantes.
A día de hoy, no existen fórmulas para predecir los parámetros del ventilador,
por lo que el uso del modelo de ventilador de energía de fragmentación
requiere algunos datos experimentales. Sin embargo, ofrece un marco
analítico excelente para el análisis de datos de fragmentación en función de la
carga específica o, en general, la entrada de energía a la roca.
5.9.1 El abanico de energía de fragmentación
5.9.2 Una perspectiva sobre los modelos de fragmentación de rocas
Este modelo fue desarrollado por Ouchterlony y colaboradores
(Ouchterlony et al.2017,2021; Ouchterlony y Sanchidrián2018;
Segarra et al.2018; Sanchidrián et al.2022). Datos de tamizado
obtenidos de ensayos con diferentes valores de carga
específica
en(X0∕X)
en(q∕q0)
de la construcción del ventilador; el exponentebse puede
característica, relacionada con el tamaño de la voladura. Este modelo
requiere la calibración de las cuatro funciones.k(PAG), h(PAG),k(PAG), yλ(
100
por voladura. Algunos estiman el tamaño medio, otros intentan obtener
la distribución de tamaño total. Muchos de los modelos existentes
asumen una distribución de Rosin-Rammler-Weibull para el tamaño de
se puede escribir
(
)
XPAG∕X0=q0∕q ,
Muchas fórmulas de predicción están disponibles para la fragmentación
los fragmentos de roca. Generalmente, los modelos de fragmentación se
(22)
derivan de datos experimentales limitados, combinados como máximo
dóndeXPAGes el tamaño en el porcentaje que pasaPAG. El exponente
Crush-zone sean los modelos más utilizados para la fragmentación por
= (PAG)oPAGes, para una geometría de voladura dada en un material
voladura.
dado, una función dePAGsolo. Muchas de las fórmulas de
con algo de física simple. Probablemente, el Kuz-Ram y su variedad de
Índice de explosividad de Lilly (Lilly1986,1992), o derivaciones de él,
fragmentación revisadas en las secciones anteriores tienen, en
parece incluir la mayoría de las características del macizo rocoso
cierto modo, la forma de la ecuación.22, por cuanto hacenX50(u
relacionadas con la fragmentación. La acción explosiva siempre está
otros percentiles) una ley de potencia de la carga específica.
modelada por la carga específica; la energía específica del explosivo se
Ecuación22 generaliza esto para cualquier percentil. La funciónXPAG=
considera a menudo como un factor de corrección para explosivos más
F(q) en la ecuación22se representa en log-log por un conjunto de
o menos energéticos. Rara vez se utilizan otras propiedades como
rectas que convergen en el punto (0,X0), véase la fig.11.
densidad, VOD, etc. Los factores de escala son la masa explosiva por
El punto focal por lo general se encuentra fuera de la - yX- intervalos
cubiertos por los datos, por lo que una interpretación física de los valores
pozo, el diámetro del pozo, la carga o espaciamiento o combinaciones
de los mismos. La secuencia de iniciación se considera en la
actualización de Kuz-Ram de 2005 y laXPAG-frag. Aparte de
13
768
Z.-X. Zhang et al.
prevalecen estas cifras de 'retraso óptimo' de algunos ms por
debe incrementarse, sin importar si otra operación (por ejemplo, voladuras)
metro de carga o espaciamiento.
reduce su eficiencia. Para obtener un efecto mínimo sobre la seguridad y el
Generalmente, las predicciones del modelo no son precisas
medio ambiente, el diseño de la voladura debe evitar las altas vibraciones de
debido a las siguientes razones: (1) Las fórmulas tienen bandas
la voladura, el lanzamiento de fragmentos y los fallos de encendido, y se
de predicción amplias debido a la dispersión de datos. (2) La
deben evitar o reducir las fugas de explosivos.
fragmentación depende en gran medida del sitio. (3)
Demasiadas variables del macizo rocoso se explican por un solo
6.2 Posibilidad de Fragmentación Óptima
parámetro. (4) La clasificación de entrega de energía explosiva
está lejos de ser un cálculo o medición estándar. Sin embargo,
Para lograr una fragmentación óptima, se deben cumplir las cuatro
algunas de las tendencias que sugieren los modelos pueden ser
condiciones mencionadas anteriormente. Sin embargo, la
útiles y pueden guiar el análisis de los resultados de las
fragmentación óptima depende principalmente de si se puede
voladuras y la elaboración de fórmulas para una operación
lograr o no un costo mínimo desde la perforación hasta la molienda
determinada. Los modelos son herramientas de ingeniería.
(Zhang2016a). Además, para lograr el costo mínimo, se debe
Algunas sugerencias sobre su uso son: (1) Utilice siempre más
reducir el gasto total de energía desde la perforación hasta la
de un modelo y discuta los diferentes resultados. (2)
molienda sin degradar la fragmentación y se debe aumentar la
Representar siempre las distribuciones de tamaño con el eje de
eficiencia energética de al menos algunas de las operaciones.
tamaño en escala logarítmica (preferiblemente ambos ejes en
escala logarítmica). (3) Tenga en cuenta que las funciones de
distribución de tamaño tienen un rango limitado de validez;
6.2.1 Disparidad entre eficiencias energéticas en perforación,
voladura, trituración y molienda
2015). (4) No extrapolar distribuciones de tamaño ajustadas a
datos experimentales fuera del rango de los datos. Si su interés
En la perforación, voladura, trituración y molienda de rocas, se
radica mucho en las multas, tenga en cuenta que sus cálculos
encuentra que la energía efectiva utilizada en la rotura de rocas es
pueden tener grandes errores; tratar de obtener información
bastante pequeña en comparación con la entrada de energía total.
de fragmentación experimental.
Como se menciona en la Secc. 1 y la revisión de Zhang y Ouchterlony (
2022), la eficiencia energética, es decir, la relación entre la energía
6 Fragmentación óptima
utilizada en la fracturación de rocas y la entrada de energía, fue solo del
10 %, 6 %, 4 % y 1 % en la perforación, voladura, trituración y molienda
de rocas, respectivamente. En resumen, las disparidades entre las
6.1 Definición
eficiencias energéticas de perforación, voladura, trituración y molienda
son grandes. Debido a las grandes disparidades entre las eficiencias
La fragmentación óptima de rocas desde la extracción hasta el procesamiento
energéticas, se puede realizar un cambio en la distribución de energía
de minerales debe cumplir las siguientes condiciones (Zhang2016a): (1)
entre las diferentes operaciones para reducir el gasto total de energía.
mínimo costo en la cadena de reducción de tamaño: perforación- voladurachancado-molienda, (2) máxima relación de recuperación de mineral, (3) alta
6.2.2 Microfisuras inducidas por explosión
productividad, y (4) mínimo impacto negativo en la seguridad y el medio
ambiente. La fragmentación que satisface solo tres de las condiciones
Se encontró que las voladuras crearon microfisuras en los
anteriores o menos no es una fragmentación óptima. Para lograr la máxima
fragmentos (p. ej., Jaeger et al.1986; Nielsen y Kristiansen 1996). En
recuperación de mineral en la minería, toda la masa de mineral incluida en el
experimentos de fractura de roca bajo cargas dinámicas, se
plan de minería debe volarse completamente en los tamaños requeridos. De
indujeron grietas ramificadas, ya sea en macroescala o microescala,
lo contrario, se pueden producir más cantos rodados de mineral, lo que
y la mayoría de ellas terminaron dentro de los fragmentos a medida
resultaría en una pérdida de mineral si dichos cantos rodados son demasiado
que aumentaba la tasa de carga o la velocidad de impacto (Zhang et
grandes para manipularlos y cargarlos. Para lograr una alta productividad, los
al. 2000).
tamaños de los fragmentos por voladura deben ser lo suficientemente
McCarter y Kim (1993) encontraron que después de la carga dinámica
pequeños para que la carga se pueda realizar de manera eficiente. Para
de especímenes de monzonita de cuarzo, diópsido, wollastonita y
alcanzar un costo mínimo desde la perforación hasta la molienda, la voladura
limolita subarcósica en una configuración de prueba de barra de presión
debe ser exitosa primero, y se debe optimizar la distribución del consumo de
de Hopkinson dividida, sus velocidades de onda P se redujeron en
energía entre las diferentes operaciones. Además, la eficiencia energética de
promedio en un 31%, 29% y 18%, respectivamente. . Katsabanis et al. (
cada operación debe ser lo suficientemente alta. Dado que la mayor parte de
2003) examinaron el desarrollo del daño en pequeños bloques de
la energía se gasta en la molienda y esa es la operación con menor eficiencia
granodiorita midiendo la velocidad de la onda P de cada muestra antes y
energética, la eficiencia energética de la molienda
después de la voladura. Sus resultados indicaron que el daño promedio
debido a la voladura se incrementó en un 174%, en comparación con el
daño inicial en los especímenes.
13
769
Reducción del tamaño de los fragmentos desde la minería hasta el procesamiento de minerales: una revisión
antes de volar. Roblee y Stokoe (1989) midió una reducción del 10 % en
la velocidad de las ondas P en rocas sedimentarias después de la
7 medidas para lograr lo óptimo
Fragmentación
voladura.
Kemeny et al. (2003) encontraron que la resistencia a la compresión
7.1 Incremento de Carga Específica en Voladuras
uniaxial, la resistencia a la tracción y el índice de carga puntual de las rocas se
redujeron entre un 10 y un 40 % debido a las voladuras.
Sección6.2indica que es posible lograr una fragmentación óptima
La reducción de la velocidad de la onda P, el crecimiento del daño y la
disminución de la fuerza mencionados anteriormente implican que se
aumentando el aporte de energía a la voladura, por ejemplo,
aumentando la carga específica en la voladura de rocas. Sección2.3
han creado más microfisuras dentro de las muestras después de la
presenta varios ejemplos exitosos en los que se ha aumentado el
voladura o la carga de impacto. Tales microfisuras producidas por
rendimiento del molino usando una carga específica más alta. Se
voladura serían más o menos favorables para la separación de
dan dos ejemplos más. En la mina de cobre a cielo abierto Aitik, un
diferentes minerales a lo largo de sus límites en trituración y molienda.
aumento de la carga específica de 0,9 a 1,3 kg/m3dio lugar a un
aumento en el rendimiento de casi un 7% debido a la producción de
materiales más finos y al menor tiempo de molienda logrado
(Ouchterlony et al.2013). Del mismo modo, un aumento de la carga
6.2.3 Redistribución de la entrada de energía
específica de 0,8 a 1,5 kg/m3
La idea de la redistribución de la entrada de energía de la minería al
resultó en un aumento del 7% de partículas de menos de 25 mm en la
procesamiento de minerales se remonta a muchos años atrás. Por
alimentación del molino SAG en la mina de cobre Andina (Brent et al.
ejemplo, McCarter y Kim (1993) argumentó que podría ser más
2013). Todos los ejemplos que utilizan una carga específica más alta
ventajoso utilizar la energía química en los explosivos que la
presentados en este artículo son ejemplos exitosos de la aplicación de
energía eléctrica en la trituración. Más tarde, Zhang describió
una carga específica más alta en voladuras de producción minera.
matemáticamente la redistribución de la entrada de energía (2008;
2016a). Brevemente, para hacer la redistribución de la entrada de
Tenga en cuenta que la carga específica no es un parámetro lo suficientemente
energía en todo el sistema de reducción de tamaño, la entrada de
bueno para representar la tensión real y la distribución de energía en la roca que se
energía en perforación y voladura se incrementará en una cantidad
va a fragmentar, ya que la tensión real y la distribución de energía están lejos de ser
específica Δ. Suponga que la entrada de energía en la trituración y
uniformes. Esto significa que una carga específica constante puede dar lugar a
la molienda se puede reducir en la misma cantidad Δ en la unidad
diferentes resultados de fragmentación si se utilizan diferentes explosivos o si otros
de J, y luego, una cantidad adicional de energía
parámetros, como el diámetro del barreno, la ubicación del detonador, la carga, el
base de datos−c.g.Δpuede
obtenerse y utilizarse en todo el sistema de reducción
espaciamiento, la derivación, etc., son diferentes para la misma roca. Además, se
de tamaño después de la redistribución de la entrada de energía, aunque la
debe prestar atención a posibles fallos de encendido o mal funcionamiento de los
entrada de energía total no haya cambiado. Aquí,base de datos
detonadores y explosivos en voladuras de pozos múltiples y desviaciones
yc.g.son la eficiencia energética en perforación y voladura y
involuntarias de los pozos de perforación. En resumen, es posible que una carga
trituración y molienda en la unidad de %, respectivamente. En otras
específica más alta no siempre resulte en una mejor fragmentación si el diseño de la
palabras, si la energía Δ se traslada de la trituración y molienda a la
voladura no es razonable y se producen fallos de encendido (Zhang2016a).
perforación y voladura, una energía adicional
base de datos−c.g.Δ
puede estar disponible en todo el sistema de reducción de tamaño, para
Un gran desafío al emplear una carga específica alta es encontrar
más trabajo de trituración. En la práctica, esto se puede realizar, por
una carga específica correcta o adecuada para una fragmentación
ejemplo, aumentando la carga específica. La cantidad de entrada de
óptima en una voladura específica. Cuando se utiliza una carga
energía adicional que se necesita en la voladura depende del nivel de
específica muy alta, la cantidad de finos aumenta y, si se reduce
fragmentación existente.
demasiado el espaciado de los orificios, la tasa de fallos de encendido
En resumen, es posible lograr una fragmentación óptima de la roca
puede aumentar. Además, el daño inducido por la explosión de rocas
considerando las microfisuras (o daños) inducidas por la voladura dentro
voladoras, etc. es otro tema importante a considerar. Las partículas
de los fragmentos de roca y la redistribución de la entrada de energía a
minerales extrafinas son difíciles de recuperar con la tecnología
todo el sistema de reducción de tamaño, desde la perforación y voladura
moderna de procesamiento de minerales (Wills y Napier-Munn2006), es
hasta la trituración y molienda.
decir, se convertirán en pérdida permanente de mineral.
7.2 Incremento de la Eficiencia Energética en Voladuras
Además de aumentar directamente la entrada de energía, como se
describe en la Secc.7.1, la energía utilizada para fragmentar la roca se
puede aumentar aumentando la eficiencia energética en la voladura, sin
aumentar la carga específica de una voladura. En practica
13
770
voladuras, esto se puede hacer de diferentes maneras, como la
reducción de la eyección de gas de los pozos de voladura y la mejora de
Z.-X. Zhang et al.
7.3 Incremento de la Eficiencia Energética en
Chancado y Molienda
la distribución de tensiones en la roca a explotar.
Para reducir la eyección de gas a alta presión de los pozos de voladura, se
Una revisión reciente (Zhang y Ouchterlony2022) confirma que solo se
debe utilizar un sistema de derivación correcto. El retacado correcto incluye la
utiliza una fracción muy pequeña del aporte de energía para crear una
longitud correcta y el material adecuado del retacado, ya que ambos influyen
nueva superficie de roca en los molinos y la trituración por impacto de
en la propagación de ondas de choque en un barreno (Zhang2016a). Cómo
una sola partícula, lo que da como resultado una eficiencia energética
determinar los parámetros de lematización correctos, como la longitud, sigue
extremadamente baja de alrededor del 1 % en dicha molienda
siendo un tema a estudiar (p. ej., Oates y Spiteri2021).
convencional. Por ejemplo, los resultados de las mediciones han
Para mejorar la distribución de tensiones en la roca, se recomiendan
las siguientes medidas. (1) Deben emplearse las mejores posiciones del
detonador en cada barreno. Si solo se coloca un detonador en un
demostrado que entre el 75 y el 90 % de la entrada de energía
finalmente se degrada en energía térmica; ver Secc.2.1.
Para aumentar la eficiencia de trituración y molienda, se deben desarrollar
barreno, la mejor posición es el punto medio de la longitud de la
nuevas trituradoras y molinos. En esta dirección, los molinos de rodillos de
columna explosiva, pero en el caso de que se coloquen dos detonadores
molienda de alta presión (HPGR), desarrollados en la década de 1980 (por
en cada barreno, las mejores posiciones de los detonadores deben
ejemplo, Schönert1979,1988), representan una técnica relativamente nueva
basarse en la distribución de tensión predicha por el modelo numérico. .
en el procesamiento de minerales. Los molinos HPGR tienen una mayor
Algunos ejemplos exitosos han sido reportados por Zhang (2005a,b)
eficiencia energética que los molinos de bolas, probablemente porque las
para minería subterránea y por Ylitalo et al. (2021) para la minería a cielo
partículas están confinadas hasta cierto punto, lo que puede reducir tanto la
abierto. (2) La colisión de ondas de choque se puede intentar colocando
energía utilizada en la fricción entre las partículas como la energía cinética del
dos detonadores en dos posiciones diferentes en cada orificio. Zhang
movimiento de las partículas que se produce en los molinos de bolas. Sin
informa sobre un ejemplo exitoso de minería subterránea (2014). (3) Se
embargo, aún se puede esperar el desarrollo de nuevas trituradoras y molinos
puede emplear la técnica de cubierta de aire. (4) Debe utilizarse un
con mayor eficiencia energética.
tiempo de retardo óptimo entre dos agujeros adyacentes.
La colisión de ondas de choque se puede realizar disparando dos
detonadores en diferentes posiciones en un barreno simultáneamente.
De acuerdo con la teoría de la colisión de choque, cuando dos ondas de
8 desafíos para lograr lo óptimo
Fragmentación
choque idénticas se encuentran, la presión máxima final será localmente
mayor que la suma de las dos presiones de choque iniciales (Cooper1996
8.1 Ondas de tensión y gases en voladuras
; zhang2016a). La colisión de ondas de choque se ha utilizado con éxito
para reducir el daño en las cejas (Zhang2014), para derribar techos
Un desafío en la realización de la fragmentación óptima es
colgantes (Zhang2016b), y para mejorar la fragmentación en el subnivel
comprender completamente el papel de las ondas de tensión y
de hundimiento (Zhang2014; Zhang y Wimmer2018). Dado que las
los gases en las voladuras, que hasta ahora no ha sido muy
aplicaciones de la colisión de ondas de choque aún son pocas, se
claro. En los primeros estudios, había dos puntos de vista sobre
necesitan más estudios sobre este tema.
este tema. Un punto de vista consideró que las ondas de estrés
Como se describe en la Secc. 3.10, el tiempo de retardo influye en la
o de choque jugaron un papel predominante en la
fragmentación de la roca. Sin embargo, existen diferentes experiencias sobre
fragmentación de la roca (p. ej., Hino1959; Duvall y Atchison
el efecto de un tiempo de retardo corto en la fragmentación. Además de los
1957), y el otro pensó que el gas a alta presión jugaba un papel
estudios citados en la Secc. 3.10, trabajo analítico sobre voladuras de corta
dominante en la fragmentación de la roca (p. ej., Langefors y
demora por Yi et al. (2016) y simulación numérica por Yi et al. (2017)
Kihlström1963; Clark y Saluja1964). Desde la década de 1970,
concluyeron que la mejora de la fragmentación por superposición de ondas
un punto de vista combinado que ha encontrado apoyo es que
de tensión era imposible. Esta conclusión analítica basada en un proceso
es el efecto combinado de la onda de tensión y la presión del
idealizado es interesante pero requiere más explosiones a gran escala para
gas lo que determina la fragmentación de la roca (p. ej., Kutter
verificar. Tenga en cuenta que la fragmentación de la roca depende no solo de
y Fairhurst1971; Field y Ladegaard-Pedersen1971; Bhandari
la magnitud de la tensión y la distribución de la tensión en la roca, sino
1979; Dally et al. 1975; Fourney et al.1993; Fourney2015).
también de la propagación de grietas y el movimiento de los fragmentos
durante la voladura (Zhang2016a). En resumen, cuál es el tiempo de demora
8.2 Diseño de voladura
correcto en la voladura de pozos múltiples y cómo determinarlo sigue siendo
un desafío difícil en la voladura de rocas.
Otro desafío en la fragmentación óptima es que la mayoría de los
parámetros de voladura, como la carga, el espaciamiento, el tronzado
(longitud y material), la subperforación y el tiempo de retardo, aún se
han determinado principalmente mediante métodos empíricos en lugar
de modelos físicos y numéricos. Un detonador correcto o
13
771
Reducción del tamaño de los fragmentos desde la minería hasta el procesamiento de minerales: una revisión
La posición del cebador se puede determinar mediante el análisis de
tercera capa en la pila por partículas en la primera capa (Maerz 1996). Las
ondas de tensión, que ha sido probado por voladuras tanto
soluciones de despliegue dependen en gran medida de la calibración, lo que
subterráneas como a cielo abierto, como se describe en la Secc.3. Sin
requiere cierto conocimiento a priori de la distribución real del tamaño de los
embargo, el hecho de que la fragmentación de rocas se trate de
fragmentos que solo se puede lograr mediante el tamizado. En última
mecánica de fractura, en lugar de mecánica continua, incorpora una
instancia, el tamizado adecuado mide las "cinturas" de una corriente de
dificultad severa en el proceso en comparación con otras disciplinas de
partículas orientadas, pero es más probable que las partículas en una imagen
ingeniería (p. ej., ingeniería mecánica y estructural, mecánica de fluidos,
tengan una orientación diferente, mientras que el análisis de imágenes no
etc., que tienen sus propias dificultades). Además, la descripción del
tiene información sobre la profundidad. Los dos métodos no miden lo mismo.
medio material, el macizo rocoso, está lejos de estar bien establecida ya
que en ella intervienen las discontinuidades. La resistencia de la roca
Lo anterior se pasa por alto con demasiada frecuencia en los estudios de
bajo carga altamente transitoria es una característica más que complica
análisis de imágenes, que a menudo carecen de un análisis de error realista o
el modelado, por lo que aún se necesitan modelos de ingeniería
una declaración sobre los rangos de validez de las mediciones, y que requiere
confiables de la interacción explosivo/roca basados directamente en
una estimación (a menudo fuera del alcance) de cuánto material no está
principios físicos.
presente en las áreas delineadas o debajo de las imágenes de trabajo. Aun así,
el análisis de imágenes puede ayudar a detectar de forma aproximada
8.3 Medición de la fragmentación
grandes cambios de fragmentación y, a menudo, eso es todo lo que se
necesita para detectar cambios en la roca o problemas de perforación y
Hasta el momento, todavía ha sido un gran desafío medir los tamaños y
voladura, por ejemplo, errores de perforación o mal funcionamiento de los
las áreas superficiales de fractura de todos los fragmentos, incluidos los
explosivos. Sin embargo, cuando se buscan tamaños de fragmentos de forma
finos producidos por la voladura, tanto en voladuras modelo como en
absoluta, cuantitativa o predictiva, el análisis de imágenes por sí solo no
voladuras de producción a escala real donde se dispone de análisis de
puede proporcionar una solución. Se han utilizado con ventaja combinaciones
imágenes, según estudios previos (p. ej., Sanchidrián et al.2006;2009).
de análisis de imágenes con tamizado in situ, o derivación de pesos de cortes
Aunque los métodos basados en imágenes digitales para determinar la
de roca a partir de flujos másicos de plantas de trituración (Cho et al.2003;
distribución del tamaño de los fragmentos se utilizan ampliamente en la
Ouchterlony et al.2006,2010; Segarra et al.2018).
voladura de rocas, tienen varios inconvenientes (Ouchterlony2003b). Por
ejemplo, definen el tamaño de forma diferente al tamizado (hasta ahora
estudian solo la superficie) y no han sido calibrados, ni absoluta ni
relativamente entre sí. No se pueden utilizar como instrumentos
9 Observaciones finales
científicos, pero ofrecen ventajas en las pruebas de campo y el control
de la producción.
La fragmentación, excepto en algunos casos especiales, solo se
1. La perforación, voladura, trituración y molienda de rocas consumen una
gran cantidad de energía en las minas de roca dura, pero la mayor
puede medir mediante tamizado si se requiere una declaración absoluta
parte de la entrada de energía para estas operaciones se utiliza en la
sobre los tamaños y los valores porcentuales de aprobación. Sin
molienda, que tiene la eficiencia energética más baja,
embargo, debido a la complicación de llevar a cabo tal operación en la
aproximadamente el 1 %, en comparación con las demás. tres
pila de escombros de una voladura, a menudo se emplean sistemas de
operaciones, y alrededor del 75-90% de la entrada de energía en la
análisis de imágenes. En este caso, se deben considerar las dificultades
de medir fragmentos de imágenes, lo que invariablemente conduce a
molienda se desperdicia en calentar los materiales.
2. Una mejor fragmentación (más fina) mediante voladura ha ahorrado una
errores de segmentación y tamaño (ver, por ejemplo, Koh et al. 2009;
cantidad sustancial de energía en las operaciones posteriores, como la
Rosato et al.2002; Potts y Ouchterlony2005; Wang 2008; Thurley2011;
trituración y la molienda, ya que los tamaños de los fragmentos se han
thurley y ng2008; Anderson y Thurley2008). A estos errores de tamaño
reducido en gran medida mediante la voladura, según los datos de
se suma el hecho de que el análisis de imágenes en cualquiera de sus
voladura de producción en algunas minas. Como resultado, algunas
formas trata de determinar la distribución del tamaño de los fragmentos
minas han obtenido ahorros de costos debido a una mejor
de una pila de fragmentos (una estructura tridimensional) a partir de
mediciones en la superficie (una bidimensional). Las soluciones de
fragmentación de los proyectos de mina a planta.
3. Se aumentó la relación de recuperación de mineral y la productividad (tasa
desdoblamiento estereológico, en las que se utiliza un muestreo
de extracción y rendimiento del molino), y se redujo el costo total de
aleatorio en secciones bidimensionales para obtener información
extracción y procesamiento de minerales debido a una mejor
cuantitativa sobre un material tridimensional basado en estadísticas y
fragmentación en varias minas. Dado que la recuperación del mineral
principios geométricos, conducen a resultados generalmente
puede incrementarse mediante una mejor fragmentación, la
insatisfactorios en el caso de imágenes de escombros, como la sección
sustentabilidad en la minería y el procesamiento del mineral puede
utilizada para medir rocas. la fragmentación es la superficie, no
aleatoria, con una distribución de tamaño de fragmento intrínsecamente
mejorarse en muchos casos.
4. Los principales factores que influyen en la fragmentación de la
sesgada por los finos que faltan y la superposición total o parcial de
roca están representados por tres grupos de parámetros: (i)
partículas en el segundo o
explosivo (incluyendo su densidad, VOD y explosión
13
772
Z.-X. Zhang et al.
energía) e iniciador (tipo de detonador y precisión de iniciación),
(ii) roca (geoestructuras, densidad y velocidad o impedancia
sónica, resistencia y energía de fractura, tensiones in situ, incluida
AgradecimientosEsta investigación fue financiada por la Universidad de
Oulu en Finlandia, la Universidad Politécnica de Madrid en España y
Montanuniversitaet Leoben en Austria.
la presión de confinamiento y agua), y (iii) distribución de energía
FondosFinanciamiento de acceso abierto proporcionado por la Universidad de Oulu,
y eficiencia energética (plan de perforación, derivación,
incluido el Hospital Universitario de Oulu.
subperforación, posición del detonador, relación de
desacoplamiento, plataforma de aire, tiempo de demora, carga
específica y superficie libre).
5. La fragmentación óptima es factible por varias razones:
(a) las voladuras inducen microfisuras dentro de los
fragmentos de mineral y, por lo tanto, los debilitan; (b) existe
una gran disparidad en la eficiencia energética entre
diferentes operaciones, como perforación, voladura,
trituración y molienda, donde la eficiencia energética de la
molienda es la más baja; (c) se podría aportar más energía a
la voladura, por ejemplo, aumentando la carga específica.
6. Es importante predecir la fragmentación de la roca en las voladuras
de producción minera. En consecuencia, se han desarrollado
Declaraciones
Conflicto de interesesLos autores declaran no tener conflicto de
intereses.
Acceso abiertoEste artículo tiene una licencia internacional de Creative
Commons Attribution 4.0, que permite el uso, el intercambio, la adaptación, la
distribución y la reproducción en cualquier medio o formato, siempre que se
otorgue el crédito correspondiente al autor o autores originales y a la fuente,
se proporcione una enlace a la licencia Creative Commons, e indicar si se
realizaron cambios. Las imágenes u otro material de terceros en este artículo
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indique lo contrario en una línea de crédito al material. Si el material no está
incluido en la licencia Creative Commons del artículo y su uso previsto no está
permitido por la regulación legal o excede el uso permitido, deberá obtener el
varios modelos. En general, las predicciones del modelo actual no
permiso directamente del titular de los derechos de autor. Para ver una copia
son precisas por varias razones. Por lo tanto, es mejor usar más
de esta licencia, visitehttp://creativecommons.org/licenses/by/4.0/.
de un modelo y discutir los diferentes resultados. Además, tenga
en cuenta que las funciones de distribución de tamaño tienen un
rango de validez limitado y siempre es muy valioso tratar de
obtener información de fragmentación a partir de pruebas de
campo y laboratorio.
7. Varias minas informan que una carga específica alta ha dado como
resultado una mayor productividad, como el rendimiento del molino.
Sin embargo, una carga específica más alta no necesariamente da
como resultado una mayor productividad o/y una fragmentación más
fina si ocurren fallos de encendido. Por lo tanto, cuando se hace un
plan de voladuras, se debe considerar la posibilidad de fallos de
encendido, especialmente cuando se planea el uso de una carga
específica alta.
8. Los finos se originan no solo en la zona de trituración que rodea los
barrenos, sino también en la zona fracturada debido a la ramificación
de grietas. Ya sea un barreno más grande o una carga específica más
alta pueden causar más multas. Si estos finos consisten en minerales y
son demasiado pequeños para ser recuperados por la tecnología
actual de procesamiento de minerales, no se debe usar un barreno
demasiado grande o una carga específica demasiado alta.
9. Todavía es un gran desafío medir los tamaños y las áreas superficiales de
fractura de todos los fragmentos, incluidos los finos producidos por la
voladura tanto en voladuras modelo como en voladuras de producción
a gran escala. El tamizado in situ requiere mucho tiempo y trabajo en
las voladuras de producción y el análisis de imagen actual por sí solo
no puede proporcionar una solución cuando los tamaños de los
fragmentos se buscan de forma absoluta, cuantitativa o predictiva.
10. Las principales medidas para lograr una fragmentación óptima
por voladura son aumentar la carga específica en la voladura
evitando fallos de encendido y mejorar las eficiencias
energéticas en la voladura, trituración y molienda.
13
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