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MÉTODOS DE EXPLOTACIÓN – SELECCIÓN DE MÉTODO
Definición
El método de explotación es la estrategia global que permite la excavación y extracción de un cuerpo mineralizado del modo técnico y económico más eficiente:
- Define los principios generales según los que se ejecutan las operaciones unitarias
- Define criterios con respecto al tratamiento de las cavidades que deja la extracción
Clasificación de Métodos
Una primera clasificación de los métodos se refiere a si la explotación se realiza siempre expuesta a la superficie o si se desarrolla a través de labores subterráneas. Así, debemos primero separar:
- Métodos de explotación a cielo abierto
- Métodos de explotación subterránea
Entre los métodos de explotación de superficie, se pueden identificar los siguientes:
- Cielo abierto, rajo abierto o tajo abierto (llamado Open Pit en inglés). Es el método que más se ve en Chile, particularmente en la explotación de yacimientos de metales básicos y preciosos.
- Cantera (llamado Quarry en inglés). Este nombre se da a la explotación de mineral que puede utilizarse directamente en aplicaciones industriales, como es el caso de la sílice, caliza y piedra de construcción.
- Lavaderos o placeres. Corresponde a la explotación de depósitos de arena en antiguos lechos de ríos o playas, con el fin de recuperar oro, piedras preciosas u otros elementos químicos valiosos.
- Otros. Existen otros métodos poco convencionales para le extracción de algunos elementos de interés, como por ejemplo la disolución, que corresponde a la extracción de azufre o sales solubles mediante la incorporación de un solvente y posterior extracción del soluto de la solución recuperada, y la minería costa afuera, para la extracción de nódulos de manganeso presentes en el fondo del océano.
En cuanto a los métodos de explotación subterráneos, se distinguen según el tratamiento que hagan de la cavidad que deja la extracción de mineral. Sin embargo, en la práctica, la explotación requiere variar y combinar los métodos presentados a continuación, dado que los depósitos raramente se ajustan exactamente a las características ideales de aplicación de alguno de los métodos.
- Métodos autosoportantes o de caserones abiertos: Corresponden a aquellos que consideran la extracción del mineral y dejar la cavidad que éste ocupaba vacía. Para ello, el caserón debe mantenerse estable en forma natural (ser autosoportante) o requerir escasos elementos de refuerzo. Estos caserones se dejan vacíos una vez que concluye la explotación. o Room and Pillar o Stope and Pillar o Shrinkage Stoping o Sublevel Stoping o Vertical Crater Retreta
- Métodos soportados o de caserones que requieren elementos de soporte para mantenerse estables y/o que se rellenan con algún material exógeno. o Cut and Fill Stoping o Excavation Techniques o Backfilling Methods
- Métodos de hundimiento, esto es, donde las cavidades generadas por el mineral extraído son rellenas con el material superpuesto (mineral, mientras dura la explotación, y estéril, una vez finalizada). El hundimiento y consecuente relleno de las cavidades se produce simultáneamente a la extracción del mineral. o Longwall Mining o Sublevel Caving o Block / Panel Caving
Criterios de selección del método
Características Espaciales Rajo vs Subterránea Afectan tasa de producción, método de manejo de material, diseño de la mina en el depósito.
- Tamaño (alto, ancho o espesor)
- Forma (tabular, lenticular, masivo, irregular)
- Disposición (inclinado, manteo)
- Profundidad (media, extremos, razón de sobrecarga)
Condiciones Geológicas e Hidrológicas Tanto de mineral como de roca de caja (o huésped) Afecta la decisión de usar métodos selectivos o no selectivos
- Requerimiento de drenaje, bombeo, tanto en rajo como en subterránea
- Mineralogía es importante para procesos
- Mineralogía y petrografía (óxidos vs. Sulfuros)
- Composición química
En consideración a estos factores, se debe tomar una decisión respecto a si explotar el cuerpo mineralizado mediante métodos de explotación de superficie o métodos de explotación subterráneos. Las características espaciales (geometría del cuerpo) y la competencia de la roca son esenciales dado que pueden determinar la conveniencia de utilizar un método por sobre otros. Sin embargo, puede haber casos en los que el depósito puede explotarse mediante métodos de superficie o subterráneos. En estos casos, es necesario tomar la decisión en función del beneficio económico que se generará en cada caso.
Las siguientes figuras muestran la complejidad de las disposiciones de labores subterráneas en depósitos reales, las que deben compatibilizar la extracción desde diversos sectores de la mina, los cuales muchas veces son explotados con métodos diferentes.
MÉTODOS DE EXPLOTACIÓN – ROOM AND PILLAR
Room and Pillar
El método se conoce en castellano como Caserones y Pilares, aunque casi siempre se utiliza su nombre en inglés. Mediante este método se explotaban 60% de las minas subterráneas de minerales distintos al carbón en Estados Unidos en los años 80 y el 90% de las minas de carbón. El método posee una variante denominada Stope and Pillar.
Este método de explotación es el único aplicable en el caso de yacimientos tabulares horizontales o sub-horizontales, con inclinaciones de hasta 30º. Se trata, por lo general, de depósitos estratificados de origen sedimentario.
Principio
Consiste en lo esencial en excavar lo más posible el cuerpo mineralizado dejando pilares de mineral que permiten sostener el techo de material estéril.
Las dimensiones de los caserones y de los pilares depende de la mayor o menor competencia de la roca sobrepuesta (estabilidad del techo) y también de la roca mineralizada (estabilidad de los pilares), como asimismo del espesor del manto y de las presiones existentes.
Por lo general los pilares se distribuyen en una disposición o arreglo lo más regular posible, y pueden tener una sección circular, cuadrada o rectangular semejando un muro. Los caserones abiertos tienen forma rectangular o cuadrada.
Al término de la explotación de un área determinada es posible recuperar, al menos parcialmente, un cierto porcentaje de los pilares, dependiendo del valor del mineral que se está extrayendo.
El control de leyes es primordial (más importante que diseño minero y ventilación): resulta en un diseño ad-hoc, irregular, con pilares de baja ley no recuperables
Se puede trabajar a frente completa ( full face slicing ) o por tajadas ( multiple slicing )
- Frente completa: hasta 8-10m de espesor
- Tajadas: más de 10 m de espesor
En mantos de gran potencia, sin problemas de espacio, se usan cargadores frontales y camiones normales. Con restricciones de espacio, se prefieren los cargadores LHD conjuntamente con camiones especiales de bajo perfil.
Ventilación
La gran extensión horizontal que pueden alcanzar los laboreos y el uso intensivo de equipo diesel, hacen necesario implantar un sistema de ventilación que puede llegar a ser bastante complejo.
En la mayoría de los casos resulta indispensable instalar sistemas de ventilación secundaria, utilizando ductos y ventiladores auxiliares ubicados en las proximidades de los frentes de trabajo.
Fortificación
Los yacimientos estratificados requieren un riguroso control de la estabilidad del techo, el riesgo de derrumbes o desplomes de material está siempre presente. Se recurre por lo general al apernado sistemático del techo.
También, si se estima necesario, es posible reforzar o fortificar los pilares, mediante pernos, cables e incluso un enzunchado de cintas metálicas.
En resumen, se consideran los siguientes elementos de fortificación:
- Apernado de techo sistemático
- Pernos de roca: o Lechados (a columna completa) o Anclados mecánicamente (puntual) o 5/8, ¾, 1, 1 ¼ pulgadas o 7, 9, 17, 26 toneladas de resistencia o Pensionados a 50% de resistencia
- Planchuelas de 6 pulgadas (150 mm) y de ¼ a 3/8 pulgadas de espesor, planas o como campanas, que distribuyen el esfuerzo de la roca en el collar del perno a través de una tuerca
- Malla puede instalarse entre pernos
- Shotcrete para largo plazo
- La resistencia de pernos disminuye con el tiempo (puede ser necesario tensarlos nuevamente, o reemplazarlos durante la vida de la operación)
Comentarios
En mantos de un espesor importante y de inclinación cercana a la horizontal, el método por room and pillar puede adoptar un alto grado de mecanización, operacionalmente muy eficiente y con una alta capacidad productiva.
La disposición y diseño de las labores es bastante simple y esquemática, permitiendo con facilidad el desarrollo simultáneo de diferentes áreas productivas. No requiere de grandes inversiones en desarrollos de preproducción.
Permite una explotación selectiva, dado que siempre existe la posibilidad de dejar como pilares los sectores de más baja ley.
La recuperación del yacimiento es uno de los puntos débiles de este método. Una proporción importante del mineral necesariamente debe dejarse como pilares.
En cuanto a la dilución, se puede manejar en un nivel muy bajo, controlando la estabilidad del techo y la correcta ejecución de los diagramas de disparo.
Características
En resumen, las características del método son:
- Método barato, productivo, fácil de mecanizar y simple de diseñar.
- Se usa en depósitos horizontales o sub-horizontales (hasta 30º) en roca razonablemente competente y espesores de 2 a 6 m en carbón, sal, potasio, calizas. En algunos casos pueden considerarse mantos de mayor potencia.
- Consideraciones de diseño: o Estabilidad del techo o Resistencia de los pilares o Espesor del depósito o Profundidad de la mina
- Objetivo: extraer la cantidad máxima de mineral compatible con condiciones seguras de explotación.
- Pilares pueden recuperarse: o Relleno ( backfill ) en minas no de carbón o Retroceso ( retreat mining ) en minas de carbón, permitiendo subsidencia
Diseño de Pilares
La metodología más simple de diseño de pilares asume que el esfuerzo en el pilar está distribuido uniformemente y que es igual al esfuerzo geoestático vertical original, dividido por la razón entre el área del pilar y el área original (tributaria). El fallamiento ocurre cuando este esfuerzo excede la resistencia a la compresión del pilar de roca.
Esta aproximación no considera:
- Extensión y profundidad del área explotada
- Componente del esfuerzo paralelo al estrato
- Propiedades de deformación del pilar, techo y suelo
- Posición de pilares en el área explotada
Cuando el proceso de arranque alcanza el límite pre-establecido superior del caserón, cesan las operaciones de perforación y tronadura, y se inicia el vaciado del caserón extrayendo el mineral que ha permanecido almacenado (60 a 70%).
Los pilares y puentes de mineral que separan los caserones por lo general son recuperados con posterioridad.
Desarrollos
El método requiere conocer bastante bien la regularidad y los límites del cuerpo mineralizado. Para ello, se construyen dos niveles horizontales separados verticalmente por 30-180 m, los cuales permiten definir la continuidad de la veta y determinar la regularidad en el espesor de la misma.
A esto, se agrega una o más chimeneas, construidas por Alimak o Raise- Boeing, las que permiten definir la continuidad vertical, facilitan la ventilación y permiten el acceso del personal y equipos.
Finalmente, hay tres alternativas para el desarrollo que sigue:
- Puntos de extracción cada 1-10m en la base del cuerpo Instalación de chute de madera en cada punto
- Correr galería paralela a la base del cuerpo a 7.5 – 15 m en footwall (por estabilidad) Correr estocada de extracción desde la galería de extracción a la galería de base del depósito cada 7.5 – 15 m Tronar la primera tajada y se extrae el esponjamiento con LHD o scraper
- Cuerpos más anchos: Correr dos galerías de base Construir embudos Por el centro de las dos galerías de base, correr galería de extracción con scraper y estocadas de extracción para que el esponjamiento fluya hacia la galería de extracción
Arranque
Las condiciones de aplicación de este método (vetas angostas de baja capacidad productiva), como también las dificultades de acceso y el piso de trabajo irregular no permiten la utilización de equipos mecanizados de perforación.
En la práctica normal se utilizan perforadoras manuales (jack-legs o stopers) y barras integrales. Los tiros pueden ser horizontales (1.6 a 4.0 m) o verticales (1.6 a 2.4 m) con diámetros de 32 a 38 mm. Excepcionalmente, se utiliza perforación mecanizada, mediante el uso de: drill wagons o jumbos con largos de perforación que pueden ir de 1.8 a 2.4 m (hasta 3.0 m).
La tronadura se realiza utilizando ANFO, geles (hidrogeles), slurry (emulsiones) y con iniciación no eléctrica normalmente.
Manejo de mineral
El sistema tradicional o más antiguo consiste en el carguío directo del esponjamiento por el nivel de extracción mediante de pequeños carros de ferrocarril, mediante buzones instalados en la base de los embudos recolectores.
Es necesario nivelar el piso para seguir perforando después de cada tronada, dentro del caserón, para lo que se pueden utilizar slushers, LHD pequeños o simplemente palas y realizar el trabajo manualmente.
Después de tronar y extraer cada tajada vertical, se deben subir los accesos (fortificación de accesos con madera).
Entre los sistemas de carguío y transporte en el nivel de extracción, también se pueden encontrar palas de arrastre (scrapers) descargando directamente a carros de ferrocarril o camiones y equipos LHD saliendo directamente a superficie, o en combinación con piques de traspaso cortos, ferrocarril o camiones, y rampas o piques de extracción.
Ventilación
El frente de trabajo se ventila inyectando aire desde la galería de transporte ubicada en la base a través de la chimenea de acceso emplazada en uno de lkos pilares que flanquean el caserón.
El aire viciado se extrae hacia el nivel superior por la chimenea emplazada en el otro pilar correspondiente al caserón vecino.
Fortificación
Dependiendo de la estabilidad de la roca encajadora, se recurre normalmente a un apernado parcial o sistemático de las paredes del caserón.
En situaciones de mayor inestabilidad se colocan pernos y malla de acero, o incluso shotcrete.
También es posible dejar algunos pilares de mineral de pequeñas dimensiones.
Muestreo de canaleta o de chips en intervalos regulares para control de leyes
Vaciado
El vaciado es la etapa más peligrosa. Se debe evitar este método si el material se pega o cementa (arcillas) y puede crear colgaduras o arcos. Estas colgaduras pueden ser “deshechas” mediante el uso de agua, explosivos o a mano, lo cual es muy riesgoso. Las colgaduras son costosas y peligrosas.
El vaciado debe hacerse sistemático y parejo, para evitar la dilución
- Tren, LHD / camión, slusher (balde de arrastre)
