Apuntes de curso de explotación de minas

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Apuntes de curso de explotación de minas

  1. 1. UNIVERSIDAD DE CHILE FACULTAD DE CIENCIAS FÍSICAS Y MATEMÁTICAS DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA DE MINAS APUNTES DE CURSO DE EXPLOTACIÓN DE MINAS Preparado por Julián Ortiz C.
  2. 2. MI57E – Explotación de Minas 2 INTRODUCCIÓN Un poco de historia La minería ha sido parte de la historia del hombre desde la prehistoria. En Chile, la importancia de la minería se puede trazar a los incas. La relevancia de la minería durante la Colonia y en el Chile Republicano también es evidente. La Chilenización y Nacionalización del Cobre en épocas más recientes marcaron en buena parte la historia política de nuestro país. A continuación se listan hechos relevantes en la historia de la minería en lo referente a Chile: • Incas explotan oro (lavaderos), cobre y piedras preciosas (turquesa) • Españoles en busca de riquezas mineras (oro) • Chile republicano ha tenido dos guerras: ambas por razones mineras o Confederación Perú-Boliviana (1835) Guano o Guerra del Pacífico (1879) Salitre • Altos y bajos en la minería del oro, fuerte desarrollo en el S. XVIII y decadencia en el S. XIX (Jesus María, Las Vacas, Andacollo, El Bronce de Petorca, etc.) • Auge de la minería de la plata en el S. XIX (Agua Amarga, Chañarcillo, Chimberos, Tres Puntas, Caracoles, etc.) • 1830-1860: Valor de producción de la plata superó lejos a todo el oro que se ha producido hasta esa fecha • Desarrollo de la minería del Cobre: Chile primer productor del mundo entre 1860-1880 • Construcción de puertos y fundiciones en el Norte Chico • Producción de 40.000 ton Cu / año era 25% de la producción mundial • Entre 1830-1880 Atacama fue la provincia más prolífera del país • Copiapó era centro político, cultural y económico • Se construyó el primer ferrocarril en Chile entre Copiapó y Caldera • Copiapó: primera ciudad de Chile con alumbrado a gas • Se invierten ganancias en viñas, líneas de vapores, bancos, ferrocarriles y palacios en la zona central de Chile • A mediados del S. XIX comienza paralelamente la explotación del carbón en el Golfo de Arauco: Se construye la primera central hidroeléctrica de Chile en 1897, en Chivilingo (Lota) • Auge del salitre después de la Guerra del Pacífico y decadencia del cobre: Desarrollo de Iquique, Tocopilla, Antofagasta y Taltal
  3. 3. MI57E – Explotación de Minas 3 • El 28 de Diciembre de 1945 se perfora el primer pozo de petróleo en Tierra del Fuego • A partir de 1965 comienza la Chilenización y posteriormente en 1971, la Nacionalización de la Gran Minería del cobre: Profesionales chilenos se hicieron cargo de las operaciones y desarrollo de la Gran Minería • Impresionante auge de la minería del cobre y oro a partir de 1980 • Otras sustancias o elementos no han sido relevantes en la historia minera de Chile (razones geológicas) La minería hoy La minería de hoy en Chile se destaca por sobre otras actividades económicas. Los montos de las ventas de productos mineros son gigantescos si se comparan con otras áreas de la actividad económica de Chile. En particular, el cobre lidera las ventas con un orden de magnitud más que cualquier otro producto. Principales producciones mineras (2004) Producto Ton Anuales Valor Producción Anual (millones de US$) Cobre 5.412.000 14.500 Molibdeno 42.000 1.400 Oro 40 320 Plata 1.360 113 Hierro 8.000.000 160 Yodo 15.000 175 Salitre 1.400.000 80 Carbonato de Litio 50.000 65 Producción de Cobre (fuente: Cochilco)
  4. 4. MI57E – Explotación de Minas 4 Minería del Cobre De la producción de cobre, aproximadamente el 85% proviene de faenas que explotan el recurso por rajo abierto, mientras que sólo el 15% restante lo hace a través de métodos de explotación subterráneos. Aproximadamente dos tercios del mineral extraído se procesa mediante el proceso típico para sulfuros (flotación-fundición), mientras que el resto corresponde al proceso de óxidos (proceso de lixiviación, extracción por solventes y electro- obtención). Sin embargo, se debe destacar que la producción mediante este proceso hidrometalúrgico corresponde aproximadamente al 60% de la producción mundial que se obtiene a partir de mineral oxidado en el mundo, poniendo a Chile en una posición de liderazgo en este tipo de procesos. El desarrollo típico de un proyecto minero toma muchos años, tal como se muestra en la figura siguiente, donde se puede apreciar que pueden pasar fácilmente diez años desde que se inicia la exploración de un prospecto hasta que ésta pasa a ser una mina en producción. Desarrollo de un proyecto cuprífero La inversión necesaria típica para un proyecto cuprífero de gran minería bordea 4000-6000 US$/ton Cu fino por año. Es así como una mina que proyecta producir 100.000 tpa de Cu fino, requerirá una inversión de sobre 400 millones de dólares normalmente. A continuación se entrega una lista de los mayores proyectos nuevos y expansiones de los últimos 15 años en Chile. Los grandes proyectos de cobre de los últimos 15 años y las expansiones de Codelco (>100.000 tpa): 1ª Región El Abra 4ª Región Collahuasi Zaldivar Los Pelambres Cerro Colorado Mantos Blancos Quebrada Blanca El Tesoro 5ª, 6ª y Región Metrop. Chuquicamata Andina 2ª Región Los Bronces Escondida 3ª Región El Teniente Radomiro Tomic Candelaria
  5. 5. MI57E – Explotación de Minas 5 A continuación se muestra una serie de estadísticas que indican la posición de Chile en cuanto a la producción de cobre mundial, al consumo, precio y costo de producción, obtenidas del sitio web de la Comisión Chilena del Cobre (www.cochilco.cl). Producción Mundial de Cobre. Participación de Chile (2003) (Fuente: Cochilco) Principales consumidores del cobre en el mundo (miles de Ton de Cu - 2003) (Fuente: Cochilco) • China 3.065 • Estados Unidos 2.326 • Japón 1.202 • Alemania 1.083 • Corea del Sur 900 • Italia 679 • Taiwán 619 • Francia 551 • Rusia 447 • México 411 Consumo per cápita: • 1 a 2 kg de Cu/hab año en paises en desarrollo • 15 a 20 kg de Cu/hab año en paises desarrollados
  6. 6. MI57E – Explotación de Minas 6 Tendencias del precio del cobre: Tendencias de los costos directos de producción Desglose aproximado (en %) de costos directos • Mano de obra propia 18% • Insumos 35% • Energía 12% • Servicios de terceros 20% • Otros 15% Total (40 a 50 cUS$/libra): 180 a 220 millones de dólares al año para una faena de 200.000 tpa de Cu Por cada centavo adicional en el precio del cobre Chile ingresa 120 millones de US$ anualmente
  7. 7. MI57E – Explotación de Minas 7 Fortalezas y debilidades La minería en Chile tiene las siguientes fortalezas y debilidades, las que constituyen los desafíos de los profesionales de la minería de las próximas décadas: • Fortalezas o Recursos minerales en abundancia y de buena calidad (especialmente cobre) Aproximadamente 1/3 de reservas mundiales de cobre o Institucionalidad eficiente y marco jurídico claro o Infraestructura desarrollada. Cercanía a puertos o Proyectos en zonas desérticas o Mano de obra especializada y profesionales calificados o Costos razonables • Debilidades o Requerimiento de grandes inversiones o Fuertes fluctuaciones de los precios de los metales o Escasa comprensión de la comunidad, tanto local como del país o Baja inversión en investigación y desarrollo
  8. 8. MI57E – Explotación de Minas 8 o Imagen negativa en relación al medio ambiente y seguridad o Proyectos en zonas remotas (sobre 3000 msnm) Los encadenamientos en el proceso minero (cluster) • Cluster: concentración de instalaciones físicas de empresas en torno a una misma actividad en una localidad geográfica determinada. o Desarrollo de mercados de insumos específicos o Mano de obra especializada o Se hace investigación y desarrollo en conjunto (entre todas las empresas) lo que conduce a innovaciones tecnológicas de punta o Educación superior focalizada o Empresas de ingeniería y construcción con énfasis en el tema del cluster o Instituciones financieras especializadas en minería • Características de un cluster para Chile o Ventajas naturales en cuanto a reservas minerales o Tamaño del sector Cobre (5.500.000 tpa) o Importante flujo de dinero (por año): Insumos en Chile Remuneraciones Serv. de terceros Energía o Proyectos de la última década (por año) Ingeniería Construcción Adquisiciones Comentarios • La minería ha sido para Chile el sector económico de mayor relevancia: o Del orden del 10% del PGB o Más del 50% de la entrada de divisas o La inversión materializada en los últimos años ha sido captada en más del 60% por la minería • Grandes posibilidades en el mediano y largo plazo: o Recursos suficientes. Cada año aumentan: ¿recursos no renovables o no agotables? o Infraestructura adecuada o Tratados internacionales para fortalecer la demanda
  9. 9. MI57E – Explotación de Minas 9 o Minería globalizada. Las grandes empresas mineras internacionales están en Chile o La sustitución del Cobre no se visualiza amenazante (consumo per cápita de cobre crece vertiginosamente en los países en desarrollo) o País ordenado y socialmente estable • Los desafíos a futuro: o Consolidar el liderazgo en la producción de cobre o Asegurar y desarrollar los mercados o Reforzar la investigación y las innovaciones tecnológicas para mantener competitividad: exportación de tecnologías y mayor valor agregado o Mantener marco jurídico y tributario estable, resolviendo adecuadamente el tema de distribución de las utilidades (royalty) o Desarrollar en serio el tema del cluster o Resolver el desarrollo sustentable (ambiental, social y económico) o Formar profesionales altamente capacitados en todos los niveles y en todas las especialidades de la ingeniería
  10. 10. MI57E – Explotación de Minas 10 ESTADÍSTICAS DE LA MINERÍA Y EL COBRE EN CHILE La información que se presenta a continuación corresponde al reporte anual generado por Cochilco y que puede ser consultada en su versión completa en el sitio de Cochilco (www.cochilco.cl).
  11. 11. MI57E – Explotación de Minas 11 Productor Producción Miles TMF Cu (2004) Escondida 1195 Chuquicamata 691 Collahuasi 481 Los Pelambres 362 El Teniente 435 Radomiro Tomic 291 Sur Andes 300 El Abra 218 Andina 240 Candelaria 200 Mantos Blancos 155 Zaldívar 148 Cerro Colorado 120 El Tesoro 98 Enami 120 Quebrada Blanca 76
  12. 12. MI57E – Explotación de Minas 12 Sector minero participa en ~8% del PIB
  13. 13. MI57E – Explotación de Minas 13 0.86% de fuerza laboral total 74% de fuerza laboral minera trabaja en minería del cobre
  14. 14. MI57E – Explotación de Minas 14
  15. 15. MI57E – Explotación de Minas 15
  16. 16. MI57E – Explotación de Minas 16 Precio del Cobre Promedio • 2003: 80.7 cUS$/lb • 2004: 130.1 cUS$/lb • 2005: 167.1 cUS$/lb • 2006*: ~220 cUS$/lb
  17. 17. MI57E – Explotación de Minas 17 Chile es : • 1er productor de cobre del mundo • 13º productor de oro del mundo • 5º productor de plata del mundo • 1er productor de molibdeno
  18. 18. MI57E – Explotación de Minas 18
  19. 19. MI57E – Explotación de Minas 19
  20. 20. MI57E – Explotación de Minas 20 LA EXPLOTACIÓN DE MINAS La explotación de minas es el conjunto de actividades, operaciones o trabajos que es necesario realizar para separar físicamente los minerales desde su ambiente natural y transportarlos hasta las instalaciones de procesamiento. Consiste, por lo tanto, en la ejecución secuencial de dos operaciones básicas: el arranque y el manejo de materiales. Arranque: Se denomina arranque al proceso de separar o arrancar el mineral de la corteza terrestre. Salvo algunas excepciones, esta operación se realiza en la mayoría de los casos haciendo detonar cargas explosivas emplazadas en huecos cilíndricos perforados en el macizo rocoso. Se distingue así entre las suboperaciones de Perforación y Tronadura. Movimiento o manejo de materiales: Este proceso implica a su vez la ejecución combinada, en varias instancias, de las suboperaciones de Carguío y Transporte. Explotación de Minas Arranque Perforación Tronadura Manejo de materiales Carguío Transporte Operaciones auxiliares
  21. 21. MI57E – Explotación de Minas 21 La perforación, tronadura, carguío y transporte, junto con la ventilación, se denominan operaciones unitarias. Son las operaciones independientes que realizadas en cierta secuencia permiten la explotación de un depósito, o su desarrollo. Antes de comenzar a describir las operaciones unitarias, es necesario definir ciertos términos para evitar confusión posteriormente, cuando se describan éstas y cuando se detallen los métodos de explotación. Mineral: Es una sustancia inorgánica de ocurrencia natural en la corteza terrestre, que posee un conjunto distintivo y característico de propiedades físicas y una composición que puede ser expresada por una fórmula química. Es decir, los minerales son combinaciones definidas y precisas entre elementos químicos. De las minas, por lo general, se extraen rocas. Sólo en casos excepcionales se extraen elementos químicos o minerales en estado puro. Las rocas son agregados de minerales, es decir, combinaciones variables entre diferentes minerales. En la actualidad, se conocen del orden de 104 elementos químicos. Entre ellos, 15 han sido obtenidos en forma sintética en laboratorios, sin detectarse su presencia en forma natural en la corteza terrestre y otros pocos, los gases nobles, han permanecido siempre en la corteza terrestre. Del resto, sólo 8 elementos constituyen el 92% de la corteza terrestre: O 47%, Si 28%, Al 8%, Fe 5%, Na – Mg – K – Ca un poco menos de 4%. Estos elementos, conjuntamente con los otros menos comunes dan origen a aproximadamente 2.000 minerales diferentes. Recursos geológicos: Se entiende por recursos al conjunto de unidades de roca, generalmente definidas a través de un modelo de bloques con leyes estimadas mediante algún método, que poseen una concentración de un elemento o mineral anómala respecto a su entorno y que posee características de continuidad geológica confirmadas mediante sondajes y mediante la interpretación experta de un geólogo con experiencia en ese tipo de mineralización. Reservas mineras: Corresponden a la porción de los recursos que es factible de extraerse generando un beneficio económico y que considera las características de continuidad de la mineralización, continuidad de las leyes y una serie de factores que modifican el valor del recurso, tales como factores políticos, financieros, medioambientales, laborales, geográficos, etc. Las reservas son la parte del recursos que puede extraerse una vez que se han tomado en cuenta los factores tecnológicos de diseño y las condiciones financieras del momento y lugar del proyecto. Yacimiento minero: Se habla de yacimientos en un sentido amplio al referirse a una anomalía geológica que implica la concentración fuera del nivel normal que se encuentra en la roca, de algún elemento o mineral de interés (recursos geológicos). Implica una concentración desde un punto de vista geológico, sin necesariamente hablar de su potencial beneficio económico. Sin embargo, en el marco de este curso, se entenderá por yacimiento minero a un sector limitado de la corteza terrestre que posee concentraciones de minerales o elementos que tienen un potencial interés económico y que por lo tanto pueden ser extraídos generando un beneficio. En este contexto, un yacimiento es sinónimo de un depósito.
  22. 22. MI57E – Explotación de Minas 22 Es importante notar que esta definición es relativa e incluso ambigua, dado que la factibilidad económica de un proyecto minero varía según diversos factores. Por ejemplo, un cambio tecnológico puede hacer que recursos que anteriormente no fueron considerados entre las reservas del yacimiento, lo sean ahora, dado que, por ejemplo, se puede profundizar un rajo con un mayor ángulo de talud a un costo bajo. Por otro lado, regulaciones ambientales pueden transformar reservas mineras en recursos, dado que por un cambio legislativo, la concentración máxima permitida de un elemento contaminante puede subir, haciendo que su eliminación del concentrado o del producto final de la mina tenga un costo adicional que antes de la promulgación he dicho reglamento no existía. Otros factores, como el precio del producto obtenido, avances en tecnología de explotación y procesamiento del mineral, pueden afectar el balance del beneficio, generando más reservas en un depósito, sin variar sus recursos. También puede ocurrir que yacimientos muy similares en cuanto a sus características físicas y mineralógicas sean o no explotables dependiendo de su ubicación geográfica, condiciones climáticas, etc. Se distinguen tipos de yacimientos según el producto que generan: • Yacimientos metálicos: cobre, oro, plata, molibdeno, manganeso, hierro, plomo, zinc, etc. • Yacimientos no metálicos: sales, calizas, sílice o cuarzo, yeso, azufre, yodo, arcillas, etc. • Yacimientos de combustibles fósiles: carbón, antracita, esquistos bituminosos. En Chile predomina la minería metálica, pero pueden encontrarse yacimientos de todos los tipos anteriores. La explotación de minas en el sentido que se entiende en este curso se aplica principalmente a la minería metálica. Las principales diferencias con otros tipos de minería están en que muchas veces estos últimos no involucran la perforación y tronadura para extraer el material que se lleva a proceso, y que estos procesos son completamente distintos (si se requieren) que en el caso de la minería metálica. Mina: Corresponde al lugar físico de la faena organizada que permite la extracción de un determinado mineral o elemento. Es una excavación hecha en la corteza terrestre con el propósito de extraer estos minerales. La excavación puede ser superficial (en rigor, diremos que está permanentemente expuesta a la superficie) o subterránea. También pueden coexistir ambos tipos. En el primer caso, se habla de minas a rajo abierto o cielo abierto (open-pit, en inglés). También se las llama canteras, término principalmente aplicado a minerales industriales, que se extraen directamente para la venta. Adicionalmente, existen otros tipos de explotación de depósitos: los lavaderos o placeres corresponden a depósitos de arena sedimentarios en antiguos lechos de ríos o playas que permiten la recuperación de oro, piedras preciosas u otros elementos químicos valiosos. Asimismo, existe la minería por disolución, para extraer azufre u otras sales en yacimientos muy profundos. También existe investigación en la aplicación de minería costa afuera para recuperar nódulos de manganeso depositados en fondos marinos. En el caso de la explotación subterránea, se diferencian según el método de explotación utilizado.
  23. 23. MI57E – Explotación de Minas 23 ETAPAS DE UN PROYECTO MINERO Un proyecto minero pasa por varias etapas, en cada una de las cuales se va mejorando el conocimiento del depósito y se aumenta el nivel de detalle en la ingeniería desarrollada. Prospección y Exploración La fase de prospección consiste en identificar la ubicación de concentraciones anómalas de minerales, tanto metálicos, como no metálicos y fósiles. Puesto que los depósitos se encuentran generalmente en el subsuelo, se utilizan métodos directos e indirectos para encontrar estas anomalías. Un método directo consiste en la identificación visual ya sea de un afloramiento o de detritos arrastrados del sitio de la anomalía. Esto se complementa con estudios geológicos del sitio, lo que es ayudado por fotografías aéreas y mapas topográficos y estructurales de la zona. Métodos indirectos consisten principalmente en geofísica, donde se detectan anomalías sísmicas, magnéticas, gravitacionales, eléctricas, electromagnéticas y radiométricas. La geofísica permite explorar áreas extensas y definir a escala más local la existencia de cuerpos que pueden constituir un depósito. La geoquímica y geobotánica también se utilizan en prospección. La segunda etapa, de exploración, se ocupa de determinar lo más precisamente posible, con la escasa información disponible, la extensión (volumen o tonelaje) y calidad (ley) del depósito, pudiéndose ya tener una primera idea de su valor económico. En esta etapa se realiza un muestreo más regular y sistemático de manera de definir más precisamente los límites del depósito. Las muestras, obtenidas en trincheras, o a través de sondajes, son evaluadas a través de análisis químico, espectral o de rayos X. Aunque existen varios tipos de sondajes, en esta etapa se suelen usar métodos que permiten recuperar testigos, lo que permite mapear las estructuras del subsuelo. La prospección y exploración concluyen con la elaboración de un estudio de factibilidad Este estudio define si se debe continuar o no con el proyecto y, aunque es principalmente
  24. 24. MI57E – Explotación de Minas 24 económico, también debe considerar otros factores (legal, tecnológico, medioambiental,…). Algunos de los puntos de mayor importancia de este estudio son la definición de reservas, recuperación metalúrgica, tasa de producción, costos (exploración, capital, mina, planta, impuestos), ingresos (precio futuro del elemento de interés) y aspectos financieros (inversión, depreciación). Desarrollo Esta etapa constituye el comienzo de la minería propiamente tal, pues se debe acceder al mineral ya sea removiendo la sobrecarga o iniciando excavaciones subterráneas. Sin embargo, previo a ello, es necesario salvar algunas otras etapas, como la elaboración de una evaluación de impacto ambiental, la adquisición de derechos sobre la propiedad minera, derechos de agua, desarrollo de caminos y de infraestructura eléctrica. En el caso de minería de superficie (rajo abierto, canteras) el desarrollo implica extraer la sobrecarga e ir despejando varias frentes donde se iniciará la explotación, de manera de reducir el riesgo de cambios en las leyes estimadas en el estudio de factibilidad. La secuencia típica comprende en muchos casos las mismas operaciones unitarias que la explotación misma, es decir, perforación, tronadura, carguío y transporte del lastre al botadero. En casos que la sobrecarga no tenga el grado de consolidación suficiente, la tronadura puede no ser necesaria. En el caso de minas subterráneas, el desarrollo es mucho más costoso pues implica la construcción de galerías o piques, los cuales tienen un alto costo y son de lenta ejecución. Estas excavaciones deben permitir el acceso de personal y equipos para el posterior desarrollo de los niveles principales de explotación y de las excavaciones auxiliares de ventilación. Además, en muchos casos, el método de explotación contempla cámaras de chancado subterráneas, por lo que se requiere construir estas cámaras. El desarrollo se hace de manera de poder iniciar la explotación y abastecer a la planta de mineral de manera ininterrumpida. Labores de desarrollo continúan una vez que la mina ya ha iniciado su producción. Esto asegura la continuidad futura de la alimentación a planta. Explotación La última etapa es la de explotación, donde se inicia de manera sostenida la alimentación a planta con importantes cantidades de mineral. El método de explotación seleccionado depende principalmente de la forma, tamaño y localización del cuerpo mineralizado. Además, juegan un importante rol, factores económicos, tecnológicos y de seguridad. Dependiendo de la ubicación respecto a la superficie y su forma, se definen principalmente dos tipos de métodos de explotación: de superficie y subterráneos.
  25. 25. MI57E – Explotación de Minas 25 Métodos de explotación de superficie consideran rajo abierto, canteras y otras variantes, así como también la explotación de placeres. Métodos de explotación subterránea pueden clasificarse principalmente en tres tipos dependiendo del tratamiento que se hace de la cavidad que deja la explotación. Se pueden considerar métodos donde, tras la extracción del mineral, la cavidad queda soportada por las paredes del caserón o por pilares, sin un soporte adicional. Otra opción es el uso de algún material para rellenar la cavidad de manera de permitir la continuidad de la operación. Una última alternativa consiste en sacar mineral al mismo tiempo que material de menor ley o estéril rellena la cavidad que se va generando. Las etapas de la explotación de minas corresponden a: • Arranque: o Perforación o Tronadura • Manejo de materiales: o Carguío o Transporte • Operaciones auxiliares: o Ventilación o Acuñadura o Fortificación o …
  26. 26. MI57E – Explotación de Minas 26 INTRODUCCIÓN A LOS MÉTODOS DE EXPLOTACIÓN Previo a describir los distintos métodos de explotación, es necesario conocer los principales componentes de un complejo minero. En particular, en una mina subterránea, se cuenta con los siguientes elementos: Infraestructura básica: • Túneles de acceso de personal y/o transporte de minerales • Piques de acceso de personal y/o extracción de minerales • Rampas de acceso de personal y/o transporte de minerales • Túneles y/o piques principales de ventilación • Cámaras o estaciones de chancado subterráneas • Piques principales de traspaso de mineral • Cámaras o estaciones de aire comprimido • Cámaras o talleres de mantención mecánica • Polvorines • Oficinas, comedores y posta de primeros auxilios Labores de desarrollo: • Galerías y rampas de acceso a los cuerpos mineralizados • Galerías o subniveles de perforación • Embudos o zanjas recolectoras de mineral • Piques de traspaso de minerales • Galerías y chimeneas de ventilación • Galerías de transporte de mineral Instalaciones • Puntos de extracción • Parrillas de control de tamaño • Estaciones de reducción de tamaño (martillos picadores) • Buzones de carguío • Subestaciones eléctricas • Vías férreas • Estaciones de bombeo
  27. 27. MI57E – Explotación de Minas 27 El método de explotación describe la estrategia o los principios generales según los cuales se ejecutan las operaciones básicas para el arranque y manejo del material. Como se mencionara anteriormente, se puede diferenciar entre la explotación a rajo abierto y la subterránea. En este último caso, los métodos se diferencian según el tratamiento que se le da a la cavidad que se produce al extraer el material. Así, se distingue entre: • Métodos de caserones abiertos, que 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. • Métodos de caserones que requieren elementos de soporte para mantenerse estables y/o que se rellenan con algún material exógeno. • 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. La selección del método de explotación depende de muchos factores, siendo los más relevantes la ubicación, forma (cuerpo tabular vertical o sub-vertical, cuerpo tabular horizontal o sub-horizontal, cuerpo masivo de forma irregular), tamaño, topografía de superficie, profundidad de la mieralización, tipo de mineral (oxidado, sulfurado, mixto; roca primaria, secundaria), regularidad de la mineralización, calidad del macizo rocoso desde un punto de vista geomecánico, etc. A continuación se muestran algunos esquemas que ilustran distintos complejos mineros y métodos de explotación y donde se muestran los elementos antes mencionados. Los métodos que se revisarán en este curso son: • Room and Pillar • Shrinkage Stoping • Sub-Level Stoping • Cut and Fill • Sub-Level Caving • Block Caving Adicionalmente, se revisarán los conceptos fundamentales de la explotación por rajo abierto. Antes de concluir esta introducción, es importante señalar que la industria minera posee ciertas características que la distinguen de otras actividades productivas. Por ejemplo: • El yacimiento minero es un fenómeno natural y por lo tanto hay que explotarlo en el lugar donde se ubica. Esto implica que en muchos casos, se debe construir caminos de acceso, suministrar energía eléctrica, captar y conduicir el agua para el proceso y para el consumo humano en faena, construir campamento, etc. Se debe dotar a la faena de toda la infraestructura física y de servicios que permita el desarrollo normal
  28. 28. MI57E – Explotación de Minas 28 de las actividades. Esto implica la participación de diferentes especialidades de la ingeniería en la construcción, puesta en marcha y operación de una mina, así como la realización de importantes inversiones que deben recuperarse y generar un beneficio en un plazo razonable. • Los recursos de los depósitos son finitos y no renovables, por lo que es necesario realizar inversiones importantes para explorar y encontrar recursos adicionales para satisfacer la demanda, en la medida que los yacimientos en explotación se van agotando. Una empresa minera que no invierte en exploración inevitablemente desaparece. • El riesgo desde el punto económico y financiero en la industria minera es alto comparado con otras industrias más convencionales. Los recursos son inciertos y la geología del yacimiento se va comprendiendo mejor en la medida que se explota, una vez que la decisión de invertir en el proyecto ya se ha tomado. Por esta misma razón, la tasa de retorno de proyectos mineros suele ser mayor que la que se considera en un proyecto normal de inversión. • La industria minera tiende a expandirse para generar productos con valor agregado. En el caso de la minería metálica chilena, se consideran en la producción una serie de procesos físicos y químicos que permiten la obtención final de metales de consumo industrial. A pesar de ello, muchas veces sigue siendo un excelente negocio vender un producto intermedio como los concentrados.
  29. 29. MI57E – Explotación de Minas 29 INTRODUCCIÓN A LOS MÉTODOS DE EXPLOTACIÓN El proceso productivo minero involucra una serie de actividades que deben ser desarrolladas en forma coordinada. La figura siguiente muestra cómo se relacionan estas actividades en cada etapa de un proyecto minero.
  30. 30. MI57E – Explotación de Minas 30 A continuación, se muestra un esquema donde se ilustran la infraestructura general de una mina. En la zona superficial, existe una explotación por rajo abierto, pero por las características de la mineralización, la explotación continúa como una mina subterránea. Para ello, se puede ver que se construyó un pique (excavación vertical descendente) que permite el acceso a los distintos niveles de la mina, y se desarrollan subniveles que permiten acceder a los caserones en explotación, piques de traspaso para llevar el mineral al nivel inferior y cargar el balde (skip). Adicionalmente, se pueden ver rampas que conectan subniveles y otros desarrollos de exploración en los niveles inferiores de la mina. Este tipo de infraestructura es típico de un complejo minero. Normalmente, las minas, tanto a rajo abierto como subterráneas, explotan varias frentes, muchas veces coordinando en paralelo la explotación de algunos sectores y la preparación de otros.
  31. 31. MI57E – Explotación de Minas 31 La figura siguiente muestra el esquema típico en una situación donde lo que se explotan son mantos. Se muestra, en particular como se realiza la explotación de un sector. SECCIÓN ESQUEMÁTICA DE UN COMPLEJO MINERO SUBTERRÁNEO Y DETALLE DE UN SECTOR PRODUCTIVO
  32. 32. MI57E – Explotación de Minas 32 A continuación, se muestra un complejo minero que constan de varias minas, todas ellas explotadas de manera coordinada, de modo de minimizar los costos de desarrollo de infraestructura (como piques, niveles de transporte, accesos) y mejorar la rentabilidad del negocio. SECCIONES ESQUEMÁTICAS COMPLEJO MINERO SUBTERRÁNEO
  33. 33. MI57E – Explotación de Minas 33 En esta figura se muestra un sección típica de la explotación de la mina Río Blanco de División Andina. Se aprecian dos sectores principales, uno donde se explota por block caving con LHD (palas de bajo perfil) y otro donde el escurrimiento de la roca fragmentada se realiza con parrillas. Se puede ver que la organización general de la infraestructura permite la explotación de ambos sectores, con el mejor aprovechamiento posible de ésta. SECCIÓN ESQUEMÁTICA MINA RÍO BLANCO CODELCO CHILE – DIVISIÓN ANDINA
  34. 34. MI57E – Explotación de Minas 34 Con un método de explotación similar al de Andina, se muestra aquí una descripción esquemática de los distintos niveles de una mina operada por block caving. Este caso corresponde a El Teniente, de Codelco Chile. SECCIÓN ESQUEMÁTICA PROCESO PRODUCTIVO SECTOR “ESMERALDA” CODELCO CHILE – DIVISIÓN EL TENIENTE
  35. 35. MI57E – Explotación de Minas 35 Con un método de explotación diferente, en este caso un sublevel stoping, se ilustra en esta figura el proceso productivo de la mina Mantos Blancos de Anglo American Chile. SECCIÓN ESQUEMÁTICA PROCESO PRODUCTIVO MINA “MANTOS BLANCOS” ANGLO AMERICAN CHILE Las figuras siguientes muestran esquemas típicos de los métodos de explotación siguientes: • Room and Pillar • Shrinkage Stoping • Sub-Level Stoping • Cut and Fill • Sub-Level Caving • Block Caving
  36. 36. MI57E – Explotación de Minas 36 ROOM AND PILLAR CUERPO TABULAR HORIZONTAL O SUBHORIZONTAL
  37. 37. MI57E – Explotación de Minas 37 SHRINKAGE STOPING CUERPO TABULAR VERTICAL O SUBVERTICAL Vetas angostas (2 a 5 metros)
  38. 38. MI57E – Explotación de Minas 38 SUB-LEVEL STOPING CUERPO TABULAR VERTICAL O SUBVERTICAL Vetas anchas (5 a 20 metros)
  39. 39. MI57E – Explotación de Minas 39 CUT AND PILL CUERPO TABULAR VERTICAL O SUBVERTICAL
  40. 40. MI57E – Explotación de Minas 40 SUB-LEVEL CAVING CUERPO TABULAR VERTICAL O SUBVERTICAL DE GRAN ESPESOR (30 A 60 metros) Se aplica también en cuerpos masivos de forma irregular
  41. 41. MI57E – Explotación de Minas 41 SUB-LEVEL CAVING Disposición general de las labores
  42. 42. MI57E – Explotación de Minas 42 BLOCK CAVING Cuerpos masivos de forma irregular
  43. 43. MI57E – Explotación de Minas 43 BLOCK CAVING EN SU MODALIDAD TRADICIONAL CODELCO CHILE – DIVISIÓN EL TENIENTE
  44. 44. MI57E – Explotación de Minas 44 MINA EL TENIENTE SISTEMA DE EXTRACCIÓN MECANIZADO GRANULOMETRÍA GRUESA
  45. 45. MI57E – Explotación de Minas 45 INTRODUCCIÓN AL ARRANQUE DE MATERIALES Como ya fue explicado en la introducción general al curso, el proceso extractivo de una faena minera consiste en lo esencial en la ejecución secuencial de dos operaciones básicas: arranque del mineral o excavación de la roca y manejo del material. Se denomina arranque al proceso de separar y/o arrancar físicamente los minerales o rocas de la corteza terrestre. Esta operación es la que da inicio al proceso productivo en una faena minera. Salvo algunas excepciones, en la gran mayoría de los casos esta operación se realiza haciendo detonar cargas explosivas emplazadas en huecos cilíndricos perforados en el macizo rocoso. Se distinguen por lo tanto dos sub-operaciones: • Perforación • Tronadura Métodos de perforación En la práctica minera se requiere crear o perforar huecos cilíndricos en la roca con diferentes objetivos: • Exploración y reconocimiento de yacimientos o depósitos minerales cantidad y calidad. • Estudios geotécnicos propiedades de la roca. • Inserción y detonación de cargas explosivas con fines de fragmentación. • Colocación de elementos de refuerzo . Consideraremos en este curso comprenden la perforación destinada a los dos últimos propósitos indicados anteriormente. Para crear un hueco cilíndrico en un sólido es necesario aplicar energía. En un sentido amplio y según el principio físico utilizado para aplicar la energía requerida, un sólido puede ser horadado recurriendo a diferentes métodos de perforación. Se pueden distinguir así los siguientes: • Mecánicos • Térmicos
  46. 46. MI57E – Explotación de Minas 46 • Hidráulicos • Ondas (sonoras o luminosas) • Otros En los trabajos concernientes a la excavación de rocas, hoy en día se utilizan exclusivamente sistemas de perforación que se basan en la aplicación de energía mediante métodos mecánicos. Sistemas mecánicos de perforación La aplicación de energía mecánica para horadar la roca se puede efectuar básicamente mediante dos acciones: P E R C U S I Ó N La herramienta horada la roca por el efecto de impactos sucesivos de alta frecuencia y gran energía, combinados con un giro o rotación entre golpe y golpe de modo que la roca presente siempre una superficie nueva al impacto y evitar así que la herramienta se entierre o atasque. La rotación, en este caso, no contribuye mayormente al proceso de fracturamiento de la roca. R O T A C I Ó N La herramienta penetra la roca por la acción conjunta de un torque de rotación y de una gran fuerza de empuje aplicada sobre la superficie rocosa. Se diferencia así entre sistemas de perforación por PERCUSIÓN y sistemas de perforación por ROTACIÓN.
  47. 47. MI57E – Explotación de Minas 47 Sistemas de perforación por percusión Un sistema de perforación por percusión consiste en lo esencial de tres componentes funcionales: • MAQUINA PERFORADORA: La máquina perforadora es la que genera las fuerzas de penetración; vale decir, convierte la energía original que alimenta a la máquina en energía mecánica de impacto. • BARRA O COLUMNA DE BARRAS: Transmite la energía de impacto desde la máquina perforadora al macizo rocoso. • HERRAMIENTA DE PERFORACIÓN: Es el elemento o componente que aplica la energía a la roca. En la terminología minera se le denomina BROCA o BIT. En la actualidad, atendiendo a la fuente de energía utilizada y según el orden como se acoplan estos componentes, se pueden identificar tres sistemas de perforación por percusión. Sistemasdepercusiónneumáticos Son aquellos que utilizan como fuente de energía el AIRE COMPRIMIDO para el accionamiento de la máquina perforadora. Se distinguen básicamente dos sistemas o modalidades funcionales según el orden de acoplamiento de sus componentes esenciales: SISTEMA CONVENCIONAL O TOP- HAMMER Sus componentes se acoplan en el orden siguiente: • Máquina perforadora • Columna de barras • Herramienta
  48. 48. MI57E – Explotación de Minas 48 SISTEMA DOWN-THE-HOLE O "DTH" Sus componentes se acoplan en el orden siguiente: • Unidad de rotación • Columna de barras • Máquina perforadora o martillo • Herramienta Sistemadepercusiónhidráulico En este caso se utiliza como fuente de energía un fluido hidráulico (aceite a presión) para el accionamiento de la máquina perforadora. Su modalidad funcional es exclusivamente del tipo CONVENCIONAL O TOP-HAMMER. También algunos hablan de ROTOPERCUSIÓN, en el sentido de que este sistema combina el efecto de los impactos con un torque de rotación más enérgico, acción esta última que contribuye parcialmente en el proceso mismo de ruptura y penetración de la roca. No obstante, el efecto del impacto es predominante. Sistemas de perforación rotativos Los sistemas de perforación rotativos no poseen una MÁQUINA PERFORADORA propiamente tal, sino que de preferencia utilizan directamente la energía eléctrica (motores) o combinaciones electro-hidráulicas para el accionamiento de los diferentes mecanismos que intervienen en el proceso: rotación, fuerza de empuje y otros. Asimismo, también es frecuente el uso de un motor diesel como unidad de potencia en combinaciones diesel-hidráulico y diesel-eléctrico.
  49. 49. MI57E – Explotación de Minas 49 Campo de aplicación Según diámetro de perforación SISTEMA DE PERFORACIÓN TIPO DE ACCIONAMIENTO MODALIDAD FUNCIONAL CAMPO DE APLICACIÓN Convencional (Top-hammer) Minería subterránea Diám = 27 a 41 mm Minería a rajo abierto Diám = 35 a 127 mm Neumático Down-the-hole Minería a rajo abierto Diám = 89 a 200 mm Minería subterránea Diám = 89 a 165 mm PERCUSIÓN Hidráulico Convencional (Top-hammer) Minería subterránea Diám = 35 a 89 mm Minería a rajo abierto Diám = 51 a 127 mm ROTACIÓN Eléctrico Diesel - hidráulico Diesel - eléctrico Minería a rajo abierto Diám = 150 a 381 mm En la última columna se indica el rango de diámetros de perforación correspondiente a cada sistema, diferenciando entre minería subterránea y minería a rajo abierto. El orden de precedencia, en cada caso, indica aplicación preferente en la primera situación anotada con respecto a la segunda.
  50. 50. MI57E – Explotación de Minas 50 Según dureza de la roca
  51. 51. MI57E – Explotación de Minas 51 PERFORACIÓN POR PERCUSIÓN Como ya fue señalado en el capítulo introductorio, la perforación por percusión se utiliza tanto en minería subterránea como a rajo abierto, para barrenar rocas compactas de dureza mediana a alta, de preferencia en el rango de diámetros menores y medianos; lo que explica su presencia prácticamente exclusiva en las faenas subterráneas. En la actualidad coexisten tres sistemas de perforación por percusión, que en orden de aparición en el tiempo son los siguientes: • Accionamiento neumático convencional o top-hammer. • Accionamiento neumático down-the-hole (DTH) • Accionamiento hidráulico, sólo top-hammer A su vez, para cubrir la diversidad de situaciones que se presentan en la práctica, cada sistema ha dado origen al desarrollo de variados equipos, tanto neumáticos como hidráulicos. La correcta selección del equipo adecuado para una determinada aplicación, requiere de un conocimiento y análisis cuidadoso de sus características funcionales, de las especificaciones técnicas que controlan su eficiencia y del diseño y condiciones operacionales de la excavación a realizar. Atendiendo a lo anterior, el contenido o los temas a tratar en este punto se han ordenado de modo de cubrir justamente los aspectos consignados más arriba, según el ordenamiento siguiente: • Descripción y funcionamiento • Principios de perforación • Prácticas de perforación
  52. 52. MI57E – Explotación de Minas 52 En suma, se trata de definir-a nivel académico- el marco teórico y práctico respecto a los principales criterios que es necesario considerar para seleccionar el equipo de perforación adecuado para la ejecución de una determinada excavación. Descripción y funcionamiento Sistema Top-Hammer En la modalidad funcional convencional o top-hammer la energía de impacto, generada por la máquina perforadora, se transmite por la barra o columna de barras. Esta energía se transfiere o aplica a la superficie rocosa a través de la herramienta, conocida con el nombre de "broca"o "bit". En la medida que aumenta la longitud de la perforación, disminuye la cantidad de energía que se transfiere a la roca, debido a las pérdidas que se producen especialmente en el acoplamiento o uniones entre las barras que conforman la columna. Sistema Down-The-Hole En la modalidad funcional DTH, el mecanismo de percusión, conocido con el nombre de martillo, se ubica en el fondo de la perforación. La energía de impacto se aplica directamente a la herramienta, sin pérdidas en las uniones de las barras. El aire comprimido se inyecta por el interior de la columna de barras. En este caso, teóricamente al menos, la eficiencia del proceso es independiente de la longitud de la perforación, principal fortaleza de este sistema.
  53. 53. MI57E – Explotación de Minas 53 Sistema y equipos neumáticos de percusión versión TOP-HAMMER La aplicación de un sistema mecanizado de perforación, utilizando aire comprimido como fuente de energía, se inicia a partir de los años 1860 en Europa (Suiza) en la versión convencional o top-hammer, manteniéndose como el único hasta principios de la década de los '50 del siglo pasado, cuando aparece el sistema DTH. Con posterioridad, a mediados de los años 70, aparecen las primeras máquinas perforadoras accionadas hidráulicamente. En la actualidad, el accionamiento neumático en su versión convencional, sólo se utiliza casi exclusivamente con perforadoras livianas, hasta 40 kilos, que pueden ser operadas manualmente. Así es como trabajan las perforadoras neumáticas de percusión Barrido Impacto Fuerza de avance Rotación Principios de funcionamiento La máquina perforadora consiste en un cilindro al interior del cual se desplaza un martillo- pistón alternativamente en ambos sentidos. Este pistón, accionado por aire comprimido a una presión de 6 a 7 [bar], golpea en su recorrido hacia adelante la parte posterior de la barrena o columna de barras.
  54. 54. MI57E – Explotación de Minas 54 Entre golpe y golpe es necesario imprimir un pequeño giro (R), de modo que los filos de la herramienta golpeen siempre sobre una nueva superficie y evitar así que se atasque. Adicionalmente, es necesario también imprimir una fuerza de empuje (F) a todo el sistema, con el propósito de optimizar el proceso de transmisión y aplicación de la energía de impacto a la roca. Por último, el sistema debe incluir un dispositivo que permita la eliminación del material o detritus producto de la trituración de la roca. Principales componentes • Mecanismo de percusión • Dispositivo de distribución del aire • Mecanismo de rotación • Mecanismo de empuje o avance • Dispositivo de barrido del detritus • Dispositivo de lubricación
  55. 55. MI57E – Explotación de Minas 55 Mecanismo de percusión y dispositivo de distribución del aire
  56. 56. MI57E – Explotación de Minas 56 Mecanismo de rotación
  57. 57. MI57E – Explotación de Minas 57 Mecanismos de empuje o avance perforadoras manuales
  58. 58. MI57E – Explotación de Minas 58 Mecanismos de empuje o avance perforadoras livianas
  59. 59. MI57E – Explotación de Minas 59 Dispositivo de barrido – Perforadoras manuales A medida que la perforación avanza, es indispensable eliminar el detritus que se va generando por la acción percusiva de la herramienta sobre la roca. De lo contrario, gran parte de la energía de impacto se perdería en sobre-fragmentar inútilmente los trocitos de roca, además del efecto amortiguante del material acumulado que termina anulando totalmente la eficiencia del sistema. La eliminación de este material se efectúa inyectando aire o agua. En minería subterránea, por razones obvias, sólo se permite el barrido con agua. En las perforadoras manuales el agua se introduce por un tubo central de acero que recorre longitudinalmente la máquina, que aquí en Chile los mineros denominan "bombilla". Este tubo encaja en la parte posterior de la barra, y el agua sigue su recorrido por un conducto interior hasta alcanzar el fondo del tiro a través de unos orificios especialmente dispuestos en la herramienta de perforación o "bit". Para evitar los escapes, las máquinas que utilizan este sistema se construyen de modo que la presión del aire comprimido actúe también sobre aquellos lugares que recorre el agua. Mientras la presión del aire sea mayor que la presión del agua, no hay problemas; de lo contrario, el agua inundaría la máquina lavando el aceite de lubricación con las consecuencias fáciles de imaginar. Dispositivo de lubricación – Perforadoras livianas El sistema utilizado consiste en incorporar aceite finamente pulverizado en la corriente de aire comprimido. En las máquinas manuales, el aparato para inyectar el aceite consiste en un pequeño depósito de lubricante que se intercala en la manguera de aire que alimenta a la máquina. Los mineros aquí en Chile lo conocen con el nombre de "pato". El sistema opera según el principio del "tubo de venturi", de modo que el aceite es succionado por efecto de la depresión generada al paso del chorro de aire por un tubo de menor diámetro. El aceite se atomiza y es transportado en suspensión a la máquina.
  60. 60. MI57E – Explotación de Minas 60 El depósito debe ubicarse a una distancia no mayor a 3 m de la perforadora; de lo contrario, el aceite lubricante tiende a depositarse en la manguera y el suministro se hace intermitente. Se debe verificar periódicamente el nivel del aceite en el depósito, como asimismo comprobar que el "pato" esté entregando aceite colocando la mano en el escape de la máquina.
  61. 61. MI57E – Explotación de Minas 61 Perforadoras livianas o manuales – Características técnicas
  62. 62. MI57E – Explotación de Minas 62 Herramientas de perforación – Perforadoras livianas o manuales
  63. 63. MI57E – Explotación de Minas 63 Equipos de perforación neumáticos – Minería a rajo abierto
  64. 64. MI57E – Explotación de Minas 64 Sistema y equipos neumáticos de percusión versión DTH
  65. 65. MI57E – Explotación de Minas 65 Martillos y herramientas de perforación
  66. 66. MI57E – Explotación de Minas 66 Equipos de perforación DTH – Minería subterránea
  67. 67. MI57E – Explotación de Minas 67 Equipos de perforación DTH – Minería a rajo abierto
  68. 68. MI57E – Explotación de Minas 68 Sistema y equipos hidráulicos de percusión (sólo top-hammer) PRINCIPIOS DE FUNCIONAMIENTO Accionamientos y/o dispositivos principales • Mecanismo de percusión • Dispositivo de distribución del aceite a presión, permite regular la carrera del pistón • Mecanismo de rotación • Dispositivo de absorción de la fuerza de reacción del impacto (acumuladores de nitrógeno) • Dispositivo de barrido del detritus • Dispositivo de lubricación Sistema de perforación electro-hidráulico
  69. 69. MI57E – Explotación de Minas 69 Máquina de perforación hidráulica
  70. 70. MI57E – Explotación de Minas 70 Equipo electro-hidráulico – Perforación frontal para galerías y túneles Principales componentes
  71. 71. MI57E – Explotación de Minas 71
  72. 72. MI57E – Explotación de Minas 72
  73. 73. MI57E – Explotación de Minas 73 Desarrollo de túneles de gran sección – Jumbo de perforación electro-hidráulico
  74. 74. MI57E – Explotación de Minas 74 Desarrollo de túneles de gran sección – Área de cobertura
  75. 75. MI57E – Explotación de Minas 75 Equipos electro-hidráulicos – Perforación radial de producción
  76. 76. MI57E – Explotación de Minas 76 Equipos hidráulicos de perforación – Brazo (boom) y avances (feed)
  77. 77. MI57E – Explotación de Minas 77 Equipos hidráulicos de perforación
  78. 78. MI57E – Explotación de Minas 78 Herramientas o aceros de perforación
  79. 79. MI57E – Explotación de Minas 79 Barras de perforación
  80. 80. MI57E – Explotación de Minas 80 Combinaciones de aceros de perforación
  81. 81. MI57E – Explotación de Minas 81 Equipos de perforación hidráulicos – Minería a Rajo Abierto
  82. 82. MI57E – Explotación de Minas 82 PERFORACIÓN POR PERCUSIÓN Eficiencia y Rendimientos del Sistema La eficiencia de un sistema de perforación se evalúa o expresa en términos de la velocidad de avance o velocidad instantánea de penetración, entendiéndose por velocidad instantánea a aquella que se mide en un intervalo de tiempo pequeño, por ejemplo: 60 [cm/min]. Si se trata de períodos más largos, por ejemplo 1 hora, se debe utilizar más bien el concepto de rendimiento, que involucra además otros factores relacionados con las condiciones locales y/o particulares de cada excavación o faena, que escapan por ahora a los alcances de este análisis. Factores principales Para un mismo diámetro de perforación los factores que controlan la eficiencia del sistema son los siguientes: • Características de potencia de la máquina perforadora • Transmisión de la energía a la roca • Aplicación de la energía a la roca La velocidad de penetración (Va) representa en última instancia el volumen de roca que puede ser removido por unidad de tiempo para un determinado diámetro del "bit". Este volumen removido depende a su vez de la cantidad de energía que se transmite desde el pistón a la barrena durante esa misma unidad de tiempo.
  83. 83. MI57E – Explotación de Minas 83 Características de potencia de la máquina La velocidad de avance o velocidad instantánea de perforación es directamente proporcional a la potencia de la máquina. La evaluación de la energía de impacto del pistón al final de su carrera hacia adelante (carrera útil), puede obtenerse matemáticamente a partir de la ecuación general que describe su movimiento. Para una perforadora neumática, aceptando algunas simplificaciones, se supone que la presión del aire comprimido se mantiene constante durante la carrera útil del pistón, asignándole un valor promedio. La figura siguiente muestra la evolución real que experimenta la presión del aire en ambos lados del cilindro. Además, se hace la suposición que la aceleración del pistón es también constante durante su carrera, e igual en ambos sentidos. De este modo, la energía de impacto (w0) queda dada por la siguiente expresión: w0 = 0,5 P A L [kgm/golpe] Luego, la potencia: Wo = 0,5 P A L N [kgm/min] Donde:
  84. 84. MI57E – Explotación de Minas 84 • P es la presión manométrica del aire a la entrada del cilindro, equivalente 6 [kgp/cm2 ] • A es el área de la cara frontal del pistón o área del cilindro de la máquina [cm2 ] • L es la carrera del pistón [m] • N es la frecuencia de impactos [golpes/min] Los manuales y catálogos de los fabricantes incluyen las características constructivas de sus equipos en cuanto a diámetro del pistón (D), carrera (L) y frecuencia de impactos (N). Cuando se trata de perforadoras accionadas hidráulicamente, los fabricantes indican en sus manuales y catálogos lo que en inglés denominan impact power expresada en [KW], y también la frecuencia de impactos expresada en (Hz). Para evitar confusiones, es preciso aclarar que la expresión impact power corresponde a la energía que desarrolla la máquina por unidad de tiempo [seg] -1 [Watt] = 1 [Joule/seg] - y no a la energía por golpe [kgm/golpe] como se acostumbra expresarla en el caso de las perforadoras neumáticas. Por otra parte, cabe señalar, además, que en el caso de las perforadoras hidráulicas el fluido que acciona la máquina (aceite) trabaja a presiones del orden de los 150 a 250 [kgp/cm2 ]. Transmisión de la energía La energía se transmite por la columna de barras en la forma de una onda de fatiga u onda de compresión. Parte de esta energía se pierde en este proceso, aproximadamente un 30 % en condiciones normales de operación. Al producirse el impacto del pistón contra la parte posterior de la barrena se crea en ella una perturbación. Las partículas del sólido que reciben el golpe experimentan un desplazamiento o, dicho en otra forma, experimentan una variación de velocidad (∆V). Por otra parte, una variación repentina de la velocidad de las partículas en un sólido genera una variación de tensión (∆T) o de la fatiga (∆σ). El sólido se deforma y dicha deformación se propaga progresivamente a todas sus partículas.
  85. 85. MI57E – Explotación de Minas 85 La energía asociada a una onda de fatiga en un sólido elástico tiene dos componentes: • Energía cinética de las partículas que se desplazan al paso de la onda con velocidad "v": Ek = ½ A c τ ρ v2 • Energía elástica o de deformación almacenada en la onda. Ee = ½ A c τ ρ σ2 / E • Energía total: ET = Ek + Ee Por otra parte, resulta fácil demostrar que [Ek = Ee], luego: Donde:
  86. 86. MI57E – Explotación de Minas 86 La forma de la onda de fatiga depende de la geometría del pistón, y en lo esencial - simplificando mucho las cosas- de la relación entre el área del pistón (Ap) y el área de la barrena (Ab). En el caso de las perforadoras neumáticas Ap > Ab, y la onda de fatiga (compresión) que se transmite por la barra tiene un perfil triangular con un pea/c de fatiga alto. En cambio, en las perforadoras hidráulicas, Ap ≈ Ab y la longitud del pistón es bastante mayor, de modo que la onda de fatiga toma una forma rectangular plana y alargada, de bajo perfil. El área achurada representa la energía que se trasmite en cada impacto. Al comparar las áreas correspondientes, se concluye que una perforadora hidráulica puede trasmitir una energía por golpe bastante mayor, sin sobrepasar el límite de resistencia a la fatiga de las barras, lo que se traduce en una velocidad de penetración muy superior. Aplicación de la energía No existe en la actualidad un modelo satisfactorio y coherente que simule el fenómeno de interacción entre la herramienta y la roca. El proceso mismo de penetración o de fragmentación de la roca por efecto de la aplicación de un pulso de fatiga a través de una herramienta de geometría compleja, es un fenómeno demasiado aleatorio o caótico, imposible de modelar con un grado de fidelidad confiable. En consideración a lo anterior, se tratará de explicar cualitativamente al menos algunos conceptos y principios que intervienen o inciden en el fenómeno.
  87. 87. MI57E – Explotación de Minas 87 Indentación Se llama indentación al proceso de fracturamiento de la roca por el efecto de penetración de una herramienta con forma de cuña mediante la aplicación de golpes sucesivos. Para una aproximación al menos cualitativa al problema, supongamos que se realiza una experiencia consistente en golpear sucesivamente una superficie rocosa mediante una simple traslación paralela de una herramienta provista de un solo filo. Como resultado de esta experiencia, es posible obtener un gráfico que representa el volumen de roca removido por dos golpes sucesivos en función de la distancia entre dichos golpes. La unidad de medida corresponde al volumen removido por un golpe aislado. Si la distancia tiende a cero, significa que el filo golpea dos veces en la misma posición, y el volumen removido es solamente un poco mayor que 1. En el otro extremo, si la distancia es muy grande, no existe interacción entre los golpes y el volumen removido tiende a 2. Sin embargo, si los golpes son cercanos, se produce interacción y el núcleo central de roca se rompe, resultando un volumen removido que podría incluso ser mayor de 3.
  88. 88. MI57E – Explotación de Minas 88 La situación descrita depende en lo esencial de las propiedades de la roca; vale decir, de la mayor o menor resistencia que oponga al poceso de penetración. En rocas que presentan mayor resistencia a fragmentarse, la ruptura del núcleo central sólo ocurrirá cuando la distancia entre los golpes es pequeña; por el contrario, en rocas que ofrecen menor resistencia, se obtiene ese mismo efecto con golpes más distanciados. Grado de rotación En la situación real la aplicación de los impactos sucesivos corresponde a una rotación en torno a su punto central y no a una traslación paralela del filo. Se define como grado de rotación óptimo o ideal a aquél que permite avanzar una profundidad "e" cuando el filo barre o recorre una sola vez el fondo del tiro, con un mínimo de golpes. Este giro se puede expresar en grados (α0) o también como fracción de vuelta (x0). En los sistemas neumáticos de percusión, el grado de rotación óptimo se ubica en un rango entre 1/40 y 1/20 de vuelta; vale decir, entre 9 y 18 grados según las características de la roca. Fuerza de empuje La fuerza de empuje que es necesario aplicar al sistema cumple básicamente las siguientes funciones: 1°) Contrarrestar la fuerza que ejerce el fluido a presión en la parte posterior del cilindro de la máquina. Así, en el caso de una perforadora neumática, la situación sería la mostrada en la figura.
  89. 89. MI57E – Explotación de Minas 89 2°) Contrarrestar la fuerza de reacción de la roca, de acuerdo con el principio acción - reacción. La fuerza de empuje (F) se aplica en forma permanente; en cambio, la reacción (R) actúa durante un intervalo de tiempo muy pequeño, equivalente al período o duración del pulso de fatiga (i) que se propaga por la barra y se transfiere a la roca. 3°) Optimizar el proceso de aplicación de la energía. Según el modelo aceptado en la actualidad, la energía de impacto se transmite por la barra en la forma de un pulso de fatiga (compresión). Dicha energía se aplica por intermedio de la herramienta, la cual debe mantenerse permanentemente presionada contra la roca para que el proceso de transferencia de la onda de fatiga resulte eficiente. En tal sentido, los ensayos demuestran que cuando la fuerza de empuje es demasiado baja, se produce una sobre-rotación de la herramienta (α >> α0) lo que incide negativamente en la velocidad de penetración. Por el contrario, si la fuerza aplicada es muy grande, la rotación tiende a reducirse, situación que también puede conducir a una operación ineficiente; incluso la herramienta podría atascarse, con la consiguiente pérdida de tiempo y eventualmente la pérdida de la herramienta. En suma, para cada combinación perforadora-roca, existe una fuerza de empuje óptima que maximiza la velocidad de penetración. En la figura se muestran los resultados obtenidos de ensayos realizados en una roca de mediana dureza, con una perforadora neumática manual de las siguientes características:
  90. 90. MI57E – Explotación de Minas 90 La observación del gráfico permite apreciar -para este caso en particular-que la velocidad de avance (Va) máxima se obtiene para una fuerza de empuje (F) comprendida aproximadamente entre 70 y 130 [kgp], dependiendo de la presión de trabajo del aire comprimido. Velocidad de avance vs. propiedades de la roca La velocidad de penetración o velocidad de avance depende de la "dureza" de la roca. Por lo tanto, es preciso definir qué se entiende por dureza de la roca para los efectos del proceso que aquí se analiza. En una primera aproximación, parece obvio caracterizar la dureza de la roca por alguna de sus propiedades físico-mecánicas, tales como densidad, resistencia a la compresión, resistencia a la tracción, módulos elásticos u otras. Sin embargo, lo observado en la práctica indica que en el caso de un sistema de perforación por percusión, ninguna de estas propiedades correlaciona de modo confiable con la velocidad de avance. Una metodología que permite una estimación bastante aceptable se basa en el ensayo conocido con el nombre de coeficiente de resistencia de la roca (CRS), conjuntamente con el concepto de energía específica.
  91. 91. MI57E – Explotación de Minas 91 Coeficiente de resistencia de la roca (CRS) Se trata de un ensayo que consiste en impactar trozos de la roca (≈ 15 cm3 ) con un número variable de impactos (3 a 40), dejando caer sobre ellos una masa de 2,4 kg desde una altura de 0,6 m. El producto resultante, correspondiente a cada número de impactos, se pasa por un tamiz de 0,5 mm (35 mallas) y se pesa la fracción menor a 0,5 mm. Conocida la densidad de la roca se determina el volumen, y se gráfica el resultado del modo siguiente: Lo observado en la práctica indica que existe una buena correlación entre la velocidad de avance y el índice CRS. Según la dureza de la roca, el CRS alcanza valores comprendidos entre 0,5 a 2,5. Energía específica (Ev) La energía que se trasmite y aplica a la roca se consume en remover un cierto volumen de material. Se define así el concepto de energía específica (Ev) como la energía requerida para remover la unidad de volumen de roca y se expresa en [kgm/cm3]. Se puede establecer por lo tanto la siguiente relación: Donde:
  92. 92. MI57E – Explotación de Minas 92 Despejando Ev se obtiene: Para las rocas de mayor ocurrencia en las faenas mineras Ev alcanza valores comprendidos entre 10 a 40 [kgm/cm3]. Correlación entre el CRS y Ev Investigaciones realizadas han demostrado experimentalmente que existe una buena correlación entre el Coeficiente de Resistencia de la Roca (CRS) y la Energía Específica (Ev), la cual puede ser expresada por intermedio de la siguiente relación empírica: De este modo, para fines de proyecto, cuando todavía no resulta posible acceder al yacimiento y medir directamente la velocidad de perforación, se pueden someter al ensayo CRS muestras de testigos de los sondajes de reconocimiento realizados durante la etapa de estimación de reservas del yacimiento. Luego, a partir de la expresión del balance de energía, ya formulada anteriormente, y determinando Ev por su correlación con el CRS, se puede estimar la velocidad de penetración despejando (Va) de la expresión anterior: Donde:
  93. 93. MI57E – Explotación de Minas 93 Rendimientos A partir de la velocidad instantánea de penetración (Va) se pueden estimar los rendimientos posibles de alcanzar; vale decir, los metros perforados en una unidad de tiempo igual o mayor a una hora. Tales rendimientos son en definitiva los que determinan el costo del metro barrenado (US$ / m). El tratamiento del tema no se puede conceptualizar dado la gran diversidad de situaciones que se presentan en la práctica. Se debe analizar caso a caso, atendiendo a las condiciones particulares de la faena y a las características específicas de cada excavación.
  94. 94. MI57E – Explotación de Minas 94 PRÁCTICAS DE PERFORACIÓN Desarrollo de galerías y/o túneles
  95. 95. MI57E – Explotación de Minas 95
  96. 96. MI57E – Explotación de Minas 96 Excavación de chimeneas
  97. 97. MI57E – Explotación de Minas 97
  98. 98. MI57E – Explotación de Minas 98
  99. 99. MI57E – Explotación de Minas 99 Arranque en minas subterráneas
  100. 100. MI57E – Explotación de Minas 100
  101. 101. MI57E – Explotación de Minas 101
  102. 102. MI57E – Explotación de Minas 102
  103. 103. MI57E – Explotación de Minas 103
  104. 104. MI57E – Explotación de Minas 104
  105. 105. MI57E – Explotación de Minas 105 Arranque en minas a cielo abierto
  106. 106. MI57E – Explotación de Minas 106 PERFORACIÓN POR ROTACIÓN Introducción El principio utilizado por este sistema consiste en aplicar energía a la roca haciendo rotar una herramienta (trépano) conjuntamente con la acción de una gran fuerza de empuje (Fig. 3.1). En la práctica minera, este sistema de perforación presenta tres variantes según el tipo de herramienta utilizado: • Rotación con trépano cortante • Rotación con trépano triturante • Rotación con herramienta abrasiva
  107. 107. MI57E – Explotación de Minas 107 El primero fue usado originalmente en la perforación de pozos petrolíferos, pero limitado sólo a formaciones rocosas más bien blandas. En los inicios del siglo XX aparecen los primeros trépanos provistos de rodillos indentados que ruedan sobre el fondo del hoyo, ejerciendo una acción triturante sobre la roca, capaces de perforar formaciones rocosas de dureza mediana. Su diseño evoluciona rápidamente hasta la herramienta conocida con el nombre de tricono. A principios de los años '50 esta tecnología se empieza a aplicar en los primeros equipos rotativos diseñados para realizar perforaciones de tronadura en minas a cielo abierto. Innovaciones posteriores, principalmente en lo que dice relación con el diseño de estos triconos y la calidad de los aceros utilizados en su fabricación, le dan hoy en día a este sistema una gran versatilidad. Se aplica tanto en rocas blandas como muy duras, sin restricciones en cuanto a la longitud de los tiros. Su única limitación es el diámetro de perforación. Por razones que se explicarán más adelante, este sistema no se aplica en diámetros menores a 150 mm para fines de fragmentación de rocas. La perforación rotativa con una herramienta abrasiva - corona de diamantes o diamantina como se le conoce en la terminología minera- se utiliza exclusivamente para sondajes destinados a la recuperación de testigos de roca con fines de exploración y/o reconocimiento de un cuerpo mineralizado, tema que no está incluido en los alcances de este curso.
  108. 108. MI57E – Explotación de Minas 108 Descripción general del equipo
  109. 109. MI57E – Explotación de Minas 109 Accionamientos principales • Mecanismo de rotación o motor de rotación • Sistema o mecanismo de empuje • Mecanismo de izamiento • Sistema de barrido con aire comprimido • Accionamientos hidráulicos, mástil y patas de apoyo • Mecanismo de propulsión o desplazamiento • Dispositivo de extracción de polvo • Otros de menor importancia Montaje y propulsión Se utilizan dos sistemas de montaje: sobre orugas o sobre neumáticos (camión). Los factores que influyen en la elección son las condiciones del terreno y principalmente el grado de movilidad requerido. Mientras están perforando, estos equipos se apoyan sobre tres o cuatro patas hidráulicas, que además de soportar su peso sirven para nivelar la máquina. El montaje sobre orugas se utiliza preferentemente en las grandes minas a cielo abierto, donde los requerimientos de movilidad son escasos. Su limitación en cuanto a menor velocidad de traslación, 2 a 3 km/hr, es poco relevante cuando el equipo permanece durante largos períodos de tiempo operando en un mismo banco o sector de la mina. En faenas de tamaño mediano, donde se requiere un desplazamiento más frecuente y ágil del equipo, se prefiere el montaje sobre neumáticos. Estos equipos van montados sobre un camión de dos o tres ejes los más livianos, y sólo los de mayor tamaño se construyen sobre un chassis de cuatro ejes. Su velocidad media de desplazamiento es del orden de diez veces mayor, 20 a 30 km/hr.
  110. 110. MI57E – Explotación de Minas 110 Unidad de potencia La fuente primaria de potencia utilizada por estos equipos puede ser eléctrica o motores diesel, y su aplicación se realiza mediante mecanismos de transmisión mecánicos e hidráulicos. Los equipos que perforan diámetros superiores a 9 pulgadas, grandes minas a rajo abierto, por lo general son alimentados por energía eléctrica, corriente alterna de mediano voltaje (380 - 500 Volt), suministrada a la máquina mediante un cable que la conecta con sub-estaciones ubicadas al interior del rajo. Se les denomina equipos full- electric. En el caso de perforadoras de menor tamaño, montadas sobre un camión, la fuente de energía es uno o dos motores diesel. En el primer caso, se trata del mismo motor que acciona el vehículo; pero en la actualidad se prefiere, por su mayor eficiencia, la segunda configuración, dada las diferentes características de los motores requeridos. También existen versiones diesel-eléctricas, diseñadas para minas de gran producción que no disponen de suministro de energía eléctrica. Mecanismo de rotación El torque de rotación se transmite a la herramienta por intermedio de la columna de barras. El accionamiento del sistema lo provee un motor eléctrico o hidráulico montado sobre el cabezal deslizante. En los equipos de mayor tamaño, full-electric, se utiliza preferentemente un motor eléctrico de corriente continua con su eje en posición vertical, que permite una fácil regulación de la velocidad de rotación en un rango entre O a 150 rpm. Los equipos montados sobre un camión, con unidad de potencia diesel, utilizan un motor hidráulico que opera en circuito cerrado con una bomba de presión constante y un convertidor de torque, que permite variar la velocidad de rotación. Mecanismo de empuje Para obtener un efecto de penetración eficiente es preciso aplicar una fuerza de empuje que depende de la resistencia de la roca y del diámetro de perforación. Prácticamente, casi sin excepciones, esta fuerza de empuje se obtiene a partir de un motor hidráulico. Existen varios sistemas, entre los cuales los más utilizados son los que se describen conceptualmente en las figuras siguientes (Fig. 3.2). Por lo general el mecanismo de empuje está diseñado para aplicar una fuerza del orden de un 50 % del peso de la máquina, y los equipos de mayor tamaño que operan hoy en día alcanzan un peso de hasta 120 toneladas. El sistema, además, permite accionar el izamiento de la columna de barras, a velocidades de elevación del orden de 20 metros por minuto.
  111. 111. MI57E – Explotación de Minas 111 Sistema de barrido El barrido del detritus de la perforación se realiza con aire comprimido, para lo cual el equipo está dotado de uno o dos compresores ubicados en la sala de máquinas. Mediante un tubo flexible se inyecta el flujo de aire -a través del cabezal de rotación-por el interior de la columna de barras hasta el fondo del pozo. Dependiendo de la longitud de los tiros, la presión requerida se ubica en un rango de 2 a 4 [Bar]. Herramientas de perforación Existen básicamente dos tipos de herramienta: trépanos cortantes y trépanos triturantes. Los primeros consisten en una herramienta provista de elementos aguzados, con filos de diversas geometrías, que ejercen sobre la roca una acción de corte o desgarre. Su aplicación es sólo posible en formaciones rocosas blandas o semiconsolidadas, tales como material de relleno fluvial, suelos u otros. Los trépanos triturantes están conformados por tres rodillos endentados, de forma cónica, que ruedan sobre el fondo del pozo, fracturando la roca por un proceso de indentación y corte. En las aplicaciones mineras con fines de fragmentación de rocas, en la actualidad se utilizan exclusivamente los trépanos triturantes, conocidos con el nombre de triconos. Aunque la introducción de esta herramienta se remonta a los primeros años del siglo XX (1910) en la perforación de pozos petrolíferos, sólo a partir de los años '60 -cuando aparecen los primeros equipos rotativos en las grandes minas a cielo abierto-se inicia una investigación y desarrollo muy intensivo en cuanto a su perfeccionamiento tanto en calidad como en su diseño.
  112. 112. MI57E – Explotación de Minas 112 En un principio los triconos sólo eran aplicables en formaciones rocosas más bien blandas a medianas; vale decir, rocas de baja resistencia a la compresión. Hoy en día, gracias a las innovaciones introducidas, este sistema de perforación rotativa predomina sin contrapeso en la minería a rajo abierto de gran tamaño, tanto en rocas blandas como incluso muy duras, en el rango de diámetros de perforación superiores a 175 mm. Así, por ejemplo, aquí en Chile actualmente del orden de un 80 % de la producción de cobre proviene de faenas que aplican esta práctica de perforación. Se fabrican dos tipos de triconos: con dientes estampados y con insertos de carburo de tungsteno. Los primeros son los más antiguos, con un campo de aplicación restringido a rocas blandas y medianas. Los de insertos son capaces de perforar hasta rocas muy duras, pero tienen un precio del orden de cinco a uno en relación con los anteriores, relación que es compensada por su mayor vida útil. El efecto de penetración de un tricono se obtiene por la aplicación combinada de dos acciones: • Indentación • Corte Los dientes o insertos del tricono, al rodar sobre el fondo, penetran o se entierran en la roca por la aplicación de una gran fuerza de empuje. Esta acción es la que produce la trituración de la roca. También, por efecto de un desplazamiento lateral de los rodillos, como se explicará más adelante, se consigue una acción de corte o desgarre de la roca. Esta segunda acción de corte o desgarre se incorpora cuando se trata de triconos diseñados para perforar rocas blandas a medianas, de menor resistencia a la compresión.
  113. 113. MI57E – Explotación de Minas 113 Trépanos triturantes o triconos
  114. 114. MI57E – Explotación de Minas 114 Criterios de diseño El diseño de los triconos, en lo esencial sus parámetros geométricos, es función de las propiedades de la roca (Figs. 3.4 y 3.5). a) Geometría de los conos b) Excentricidad
  115. 115. MI57E – Explotación de Minas 115 c) Tamaño y disposición de los dientes e insertos Selección del tipo de tricono Los fabricantes de triconos le ofrecen a los usuarios diferentes alternativas de diseño según la dureza de la roca. Así, por ejemplo, la empresa HUGHES TOOL Co. de los EE.UU., la más antigua en este rubro y la primera que introdujo esta herramienta en el mercado, comercializa los productos que se incluyen en los cuadros siguientes.:
  116. 116. MI57E – Explotación de Minas 116 Variables de operación Las variables de operación inherentes al sistema, que inciden en su eficiencia (velocidad de penetración), son las que se identifican a continuación: • Velocidad de rotación (rpm) • Fuerza de empuje • Diámetro de perforación • Velocidad y caudal del aire de barrido • Desgaste de los trépanos A su vez, estas variables dependen de un factor externo al sistema: la dureza o resistencia de la roca. En el caso de la perforación rotativa, la evidencia empírica indica -tanto a partir de las investigaciones a nivel de ensayos como de lo observado en la práctica- que existe una buena correlación entre la Resistencia a la Compresión de la roca y la velocidad de penetración. Esta conclusión resulta conceptualmente coherente, atendiendo a la forma como se aplica la energía a la roca y su consiguiente ruptura originada principalmente por un proceso de indentación. No existe una clasificación universalmente aceptada de las rocas en función de su resistencia a la compresión (Sc). En la literatura técnica sobre el tema se encuentran diversas proposiciones. Algunas muy simples, que sólo diferencian entre rocas blandas, medianas y duras. Otras más sofisticadas, incluyen hasta seis o siete categorías. Haciendo una síntesis, para los efectos del análisis que sigue, se adoptará la clasificación que se enuncia en el cuadro siguiente. Velocidad de rotación La velocidad de rotación (N), expresada en [rpm], es inversamente proporcional a la resistencia a la compresión de la roca (Sc). En la tabla siguiente se indican las velocidades observadas en la práctica para los diferentes tipos de rocas identificados previamente.
  117. 117. MI57E – Explotación de Minas 117 Ahora, según el tipo de dientes, esta velocidad de rotación varía en un rango de 60 a 120 rpm para los triconos con dientes estampados, y entre 40 a 80 rpm en el caso de los triconos con insertos. Fuerza de empuje y diámetro de perforación La fuerza de empuje (F) que es necesario aplicar aumenta directamente con la dureza de la roca, y debe alcanzar una magnitud suficiente para sobrepasar su resistencia a la compresión. Por otra parte, esta fuerza no puede exceder un determinado valor límite, para evitar daños prematuros en el trépano. En formaciones rocosas duras o muy duras, una fuerza excesiva conduce a la destrucción de los rodamientos, lo que significa el término de la vida útil de la herramienta. A su vez, la mayor o menor resistencia de los rodamientos depende del tamaño del trépano o, en último término, del diámetro de perforación (0). A mayor diámetro, más grande es el trépano y por consiguiente más robustos y resistentes son sus rodamientos. En suma, la fuerza de empuje es función de dos variables: la dureza de la roca y el diámetro de perforación. Según la dureza de la roca, la fuerza de empuje mínima necesaria para vencer su resistencia a la compresión, está dada por la siguiente fórmula empírica: donde: Sc Resistencia a la compresión de la roca [MPa] ∅ Diámetro de perforación [pulg] La fuerza de empuje se acostumbra a expresarla en libras-peso [Ibp] por unidad de diámetro del trépano, expresado en pulgadas (∅"). En la tabla siguiente se comparan los valores mínimos que resultan de aplicar la fórmula anterior con los valores observados en la práctica minera según la dureza de la roca.
  118. 118. MI57E – Explotación de Minas 118 Por otra parte, también se ha obtenido una fórmula empírica que permite estimar la fuerza de empuje máxima que soportan los rodamientos de un tricono, en función del diámetro de perforación (∅). Si se hace el ejercicio de asignarle valores numéricos a la fórmula anterior, redondeando las cifras, se obtienen los resultados que se indican en la tabla siguiente. Los resultados anteriores permiten explicar la razón por la cual la perforación rotativa no se aplica en la práctica en diámetros menores a 175 mm (aprox 7"), salvo en rocas blandas o muy blandas. En efecto, en una roca mediana a dura se requiere una fuerza (F’) del orden de 5.000 a 6.000 [Ibp/" de ∅]; vale decir, 30.000 a 36.000 [Ibp] para un tricono de 6 pulgadas, siendo su límite de resistencia del orden de 29.000 [Ibp].
  119. 119. MI57E – Explotación de Minas 119 Velocidad y caudal del aire de barrido El aire comprimido, que se inyecta por el interior de la columna de barras hacia el fondo del barreno, cumple los siguientes objetivos: • Remoción o barrido del detritus desde el fondo del tiro. • Extracción del detritus hacia afuera. • Refrigeración y lubricación de los rodamientos del tricono. El barrido y extracción del detritus de perforación se realiza a expensas de la energía cinética del aire que circula por el espacio anular comprendido entre las barras y las paredes del pozo. Por lo tanto, la eficiencia del proceso depende, en lo esencial, de la velocidad del aire (V) en este espacio anular y de la masa de aire o caudal (Q) que circula por el sistema. Por otra parte, la refrigeración de los rodamientos se obtiene por efecto de la expansión o caída de presión (AP) que se produce durante el paso del aire por el tricono, que a su vez depende de la presión (P) con que llega el aire a la herramienta. a) Velocidad del aire La velocidad ascencional mínima para la extracción del detritus es función de la densidad de la roca y del tamaño promedio de las partículas. Existen algunas fórmulas empíricas que permiten estimar esta velocidad .
  120. 120. MI57E – Explotación de Minas 120 o también, donde: En etapa de proyecto, las fórmulas anteriores tienen escasas posibilidades de aplicación, dado las dificultades para obtener datos confiables acerca del tamaño promedio del detritus de perforación. No obstante, según la práctica minera, las velocidades de aire recomendadas atendiendo al tipo de roca, son las que se indican en la tabla siguiente: La velocidad ascencional máxima indicada obedece al problema de desgaste de las barras o tubos de perforación. El flujo de aire que circula por el espacio anular Ileva en suspensión un material que puede ser altamente abrasivo, especialmente si hay presencia de cuarzo u otros minerales de gran dureza, como ocurre frecuentemente en la minería metálica. Es sabido que en los fenómenos de flujo de material particulado, el desgaste por roce es proporcional al cuadrado de la velocidad. b) Caudal de aire El caudal de aire de barrido (Q) se calcula a partir de la fórmula básica que lo relaciona con la sección del ducto de circulación y con ¡a velocidad de flujo. Q = Área de la sección transversal x Velocidad de flujo
  121. 121. MI57E – Explotación de Minas 121 En el caso que aquí se analiza, se obtiene las siguientes fórmulas según las unidades utilizadas: donde: Otro factor a considerar en relación con este tema, es el área de la sección anular por donde circula el aire o, planteado de manera más práctica, se trata de la diferencia entre el diámetro de perforación y el diámetro exterior de las bañas [∅ - D]. Dado que a medida que aumenta la resistencia de la roca el tamaño del detritus es más pequeño, la práctica operacional aconseja adoptar los siguientes valores: Por último, en este mismo orden de cosas, otros especialistas proponen que cuando la resistencia a la compresión de la roca (Sc) es menor a 100 MPa, la proporción entre la sección transversal del pozo y la sección del espacio anular debe ser de 2 a 1, lo que equivale a una relación D/∅ igual a 0,7. c) Presión del aire de barrido Los resultados de las investigaciones realizadas por los fabricantes, indican que la caída de presión (AP) del aire al pasar por el tricono -requerida para una adecuada refrigeración de sus rodamientos- se ubica en un rango de 30 a 50 [psi], lo que equivale a 2,1 y 3,5 [bar] respectivamente. Si se suma la pérdida de carga que experimenta el flujo de aire entre el compresor y la herramienta, estimada en unas 10 [psi], se concluye que el valor promedio de la presión manométrica requerida a la salida del compresor es del orden de 3,5 [bar].
  122. 122. MI57E – Explotación de Minas 122 Esta presión final incide significativamente en el consumo de energía del compresor, y en último término en el costo de operación del equipo. Tal como se verá más adelante, lejos el mayor consumo de energía de las perforadoras rotativas se origina en el suministro de aire comprimido para la extracción del detritus. Desgaste del tricono Cuando se utilizan triconos con dientes estampados, la velocidad de penetración disminuye considerablemente a medida que aumenta el desgaste de la herramienta. En la figura 3.7 se aprecia que, a la mitad de la vida útil del tricono (50 %), la velocidad de penetración se ha reducido, aproximadamente, entre un 50 a un 75 % con respecto a la alcanzada con una herramienta nueva. Consumos de energía Cuando la máquina está perforando los principales consumos de energía son los vinculados a los siguientes accionamientos: • Rotación • Fuerza de empuje • Barrido y extracción del detritus • Otros accionamientos menores Energía consumida por la rotación Para hacer rotar la columna de barras (Fig. 3.8), es preciso aplicar una fuerza tangencial (F). La energía consumida en un giro (Er) es igual al producto de la fuerza por el camino recorrido: donde T es el torque (R x F) de rotación [kgm]. Si se considera como unidad de tiempo 1 [min], la potencia requerida (Wr) será por lo tanto igual a:
  123. 123. MI57E – Explotación de Minas 123 donde N es el número de vueltas por minuto [rpm] o velocidad de rotación, que es inversamente proporcional a la dureza de la roca (Sc). La fórmula anterior da cuenta de la energía consumida en el fondo del pozo. En el caso de un equipo full-electric, para obtener la potencia aplicada en el motor de rotación (WMR), es preciso incorporar el rendimiento mecánico de la transmisión (ηm) y el rendimiento eléctrico (ηe) del motor. Expresada esta potencia en [HP], se obtiene: donde:
  124. 124. MI57E – Explotación de Minas 124 En la literatura técnica se encuentran gráficos, como el de la figura 3.9, que indican la potencia requerida en función del diámetro de perforación (∅) y de la dureza de la roca. Energía consumida por el sistema de empuje La penetración de la herramienta requiere la aplicación de una gran fuerza de empuje (F); no obstante, la energía consumida por este accionamiento es pequeña comparada con la rotación. Suponiendo que en un giro el tricono avanza una longitud h (Fig. 3.10), la energía consumida en una vuelta (Ee) será igual al producto de la fuerza [kgp] por el camino recorrido [m]. Luego, si se elige como unidad de tiempo 1 [min], la potencia requerida (We) será igual a:
  125. 125. MI57E – Explotación de Minas 125 donde Va es la velocidad de avance expresada en [m/min]. En la práctica minera, en un rango de diámetros de 8 a 12 pulgadas (200 a 300 mm) y en rocas medianas a duras (Sc 80 a 200 Mpa), se registran velocidades del orden de 20 a 10 [m/hr]. Ahora, al igual que en la situación anterior, esta energía es la consumida en el fondo del barreno. En el caso de los equipos full-electric, por lo general el mecanismo de empuje es accionado por un motor hidráulico, que tiene detrás una bomba más un motor eléctrico que acciona dicha bomba. Por lo tanto, es preciso considerar el rendimiento mecánico de las transmisiones (ηm), el rendimiento hidráulico del motor de empuje (ηh), el rendimiento de la bomba (ηb) y el rendimiento eléctrico (ηe) del motor que acciona la bomba. Así, la potencia aplicada en la fuerza de empuje (WE), expresada en [HP], será: donde: En el gráfico de la figura 3.11, obtenido de la literatura técnica, se observa que la potencia requerida para la fuerza de empuje es del orden de un 10 % de la requerida para la rotación.
  126. 126. MI57E – Explotación de Minas 126 Energía consumida en el aire de barrido Los equipos de perforación rotativa están dotados de uno o dos compresores que suministran el aire comprimido necesario para el barrido y extracción del detritus. La energía consumida en un proceso de compresión depende, en lo esencial, de dos parámetros: la presión final (P) y el volumen o caudal de aire libre (Q) que interviene en el proceso. Por lo general se emplean compresores de tornillo de baja presión: 40 o 50 [psi], equivalentes a 2,8 y 3,5 [Bar] respectivamente. Tal como fuera señalado con anterioridad (3.4.3), la adecuada refrigeración de los rodamientos del tricono no requiere presiones mayores. En cuanto a la capacidad o caudal, factor que incide directamente en la velocidad del aire (energía cinética) que hace posible la extracción del material, se ubica en un rango entre 10 y 50 [m3 /min], según el tamaño del equipo. Haciendo una simplificación, en el sentido que el trabajo (Wis) de compresión del aire se realiza mediante un proceso isotérmico teórico (Fig. 3.12), se tiene: Reemplazando en la fórmula anterior los valores correspondientes a la situación práctica que aquí se analiza, se obtiene: donde:
  127. 127. MI57E – Explotación de Minas 127 Por ejemplo, a modo de ejercicio, se puede hacer la siguiente estimación: Datos: Cálculo: El resultado anterior confirma lo anticipado, en cuanto a que el suministro del aire de barrido es el sistema que consume la mayor cantidad de energía cuando el equipo está perforando y, por lo tanto, gravita de modo significativo en el costo de operación.
  128. 128. MI57E – Explotación de Minas 128 Velocidad de penetración Tanto en la etapa de ingeniería conceptual o estudio de prefactibilidad de un proyecto, y más aún en la etapa de ingeniería básica o de factibilidad, es preciso estimar costos de operación; entre los cuales, en una mina a rajo abierto, el costo de perforación es relevante. Cualquier estimación pasa, inevitablemente, por hacerse la pregunta: ¿cuántos metros por hora barrenará el equipo seleccionado para un determinado diámetro de perforación? La respuesta no es trivial, sobre todo cuando aún no se dispone de suficiente información de los tipos de roca e incluso de muestras representativas de todo el cuerpo mineralizado. La velocidad de penetración depende no sólo de las variables y/o parámetros operativos del sistema, si no que también, y de manera primordial, de las propiedades físico-mecánicas y geomecánicas del macizo rocoso. Se recurre básicamente a dos metodologías para aproximarse a la respuesta de la pregunta planteada en el párrafo anterior. Fórmulas empíricas: Cuando no se da la posibilidad de realizar ensayos de perforabilidad en muestras de roca, se puede recurrir a fórmulas empíricas propuestas por diversos autores. Tales fórmulas combinan algunas variables de operación del sistema con la resistencia a la compresión de la roca (Se). Como ya fue señalado, en el caso de la perforación rotativa existe una buena correlación entre la velocidad de avance (Va) y esta propiedad de la roca. Ensayos directos: Si se dispone de muestras de tamaño adecuado, las compañías fabricantes de tricónos ofrecen a sus clientes ensayos a escala en sus "bancos de prueba", a partir de los cuales le emiten un informe donde incluyen el tipo de tricono recomendado, velocidad de rotación y fuerza de empuje adecuadas, velocidad de penetración estimada y posible vida útil de la herramienta. Velocidad de avance vs. Variables de operación a) Velocidad de rotación Mientras el barrido es perfecto, la velocidad de avance (Va) es linealmente proporcional a la velocidad de rotación (Fig. 3.13).
  129. 129. MI57E – Explotación de Minas 129 En la práctica, a medida que Va aumenta, el barrido se torna ineficiente. b) Fuerza de empuje Mientras el barrido es perfecto, la velocidad de avance (Va) aumenta exponencialmente con la fuerza de empuje (Fig. 3.14). En la práctica, a medida que Va aumenta, el barrido se toma deficiente.
  130. 130. MI57E – Explotación de Minas 130 Velocidad de avance vs. Dureza de la roca En la perforación rotativa, dado la forma en que se aplica la energía en la interfase herramienta-roca, principalmente por una acción de indentación, un buen indicador para estimar la velocidad de penetración es la resistencia a la compresión (Sc de la roca. Así lo confirman tanto los ensayos a escala de "banco de pruebas" como la práctica operacional. Una primera aproximación se puede lograr recurriendo al concepto de energía específica (Ev), definida como la energía requerida para remover la unidad de volumen de roca, que se expresa por lo general en [kgm/cm3]. En el mismo orden de razonamiento propuesto para tratar esta situación en el caso de la perforación por percusión, se puede enunciar el siguiente principio: "la energía aplicada a la roca por unidad de tiempo [min] se consume en remover un cierto volumen de roca en esa misma unidad de tiempo. Luego, se puede escribir: donde: A partir de la relación anterior, y recordando que [Ee ≈ 0,1 Er], se obtiene: y despejando Va:
  131. 131. MI57E – Explotación de Minas 131 Si se revisa la fórmula anterior, la velocidad de rotación (N) se puede considerar como un dato, por su correlación consistente -ya consignada previamente- con la resistencia a la compresión de la roca. En cuanto al torque de rotación (T), esta variable es más difícil de cuantificar, dado su permanente dependencia de la velocidad de rotación.
  132. 132. MI57E – Explotación de Minas 132 TECNOLOGÍA DE LOS EXPLOSIVOS INTRODUCCIÓN BREVE RESENA HISTÓRICA Desde la prehistoria el hombre ha requerido fragmentar rocas con diversos fines, utilizando primero su energía física ayudado de algunos implementos o herramientas muy rudimentarias. También aplicaron métodos indirectos. En las minas de Schemnitz, Hungría, se utiliza por primera vez la energía liberada por una reacción química con el propósito de fragmentar roca. Se trata de la PÓLVORA NEGRA, explosivo deflagrante, conocida en Europa desde el Siglo 13, utilizada principalmente con fines bélicos. Entre los años 1867 - 69, el químico sueco Alfred Nobel inventa las DINAMITAS, primer explosivo detonante, utilizando la nitroglicerina como explosivo base. Se manejan en forma de cartuchos En los Estados Unidos ya en este siglo a mediados de los años 50, se utilizan por primera vez a escala industrial explosivos a granel del tipo nitrocarbonitratos, cuyo exponente más conocido es el ANFO (Ammonium Nitrate más Fuel Oil). A principios de los años 60, también en los Estados Unidos, comienzan a comercializarse los primeros explosivos acuosos (slurries) o HIDROGELES como también se les llama. Su invención es compartida por el profesor Melvin Cook de la Universidad de Utah y la Empresa Du Pont. Finalmente, a partir de los inicios de los años 80, aparecen los explosivos de más reciente desarrollo o de última generación conocidos con el nombre de EMULSIONES. Hoy en día, los explosivos químicos siguen siendo la principal fuente de energía utilizada para fragmentar y remover masivamente rocas compactas in-situ, ya sea en los procesos extractivos de las faenas mineras como también en las excavaciones requeridas para obras civiles. CLASIFICACIÓN En lo esencial, un explosivo puede considerarse como una herramienta para realizar un trabajo, y en un sentido amplio se define como explosivo a cualquier artefacto capaz de liberar una gran cantidad de energía en un intervalo de tiempo muy pequeño, ejerciendo una acción dinámica de gran violencia sobre el medio que lo rodea.
  133. 133. MI57E – Explotación de Minas 133 Los explosivos moderaos, tanto industriales como militares, se clasifican en general según el cuadro resumen que se incluye a continuación: LOS EXPLOSIVOS QUÍMICOS Son compuestos químicos, sólidos o líquidos, o también mezclas entre ellos, susceptibles a descomponerse o a reaccionar violentamente por efecto de una alteración térmica o de un impacto, desprendiendo una gran cantidad de gases a alta presión y temperatura. Esta transformación súbita en gases se traduce en un impacto "brutal" sobre el medio circundante cuando el explosivo reacciona confinado o inserto en un sólido. Según la velocidad con que se propaga la reacción química, se diferencia entre dos categorías de explosivos. • EXPLOSIVOS DEFLAGRANTES: Son aquellos cuya reacción química es una combustión muy violenta llamada deflagración, que se propaga a una velocidad del orden de los cientos de metros por segundo (400 a 800 m/seg). Se les denomina también explosivos propelentes o bajos explosivos. El ejemplo más conocido es la Pólvora Negra • EXPLOSIVOS DETONANTES: Son aquellos que experimentan una reacción química muy violenta llamada detonación, que se propaga a través de la columna explosiva acompañada de una onda de choque a una velocidad del orden de los miles de

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