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Cámaras y Pilares
Cáceres Prada María Angélica
COD: 1180756
Delgado Ruíz Leonardo Antonio
COD: 1180764
Ibáñez Rodríguez Juan Fernando
COD: 1180869
Flórez Esquivel Camilo Andrés
COD: 1180885
Universidad Francisco de Paula Santander Facultad de Ingeniería Ingeniería de Minas Minería Subterránea: Explotación San José de Cúcuta 2016
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Cámaras y Pilares
Cáceres Prada María Angélica
COD: 1180756
Delgado Ruíz Leonardo Antonio
COD: 1180764
Ibáñez Rodríguez Juan Fernando
COD: 1180869
Flórez Esquivel Camilo Andrés
COD: 1180885
Ascencio Ascencio José Marcelino Ing. De Minas
Universidad Francisco de Paula Santander Facultad de Ingeniería Ingeniería de Minas Minería Subterránea: Explotación San José de Cúcuta 2016
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Tabla de Contenido
Introducción
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Objetivos
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1 Método de explotación por cámaras y pilares 1.1 Aplicación del método de cámaras y pilares 1.2 Ventajas y desventajas del uso de cámaras y pilares 1.2.1 Ventajas 1.2.2 Desventajas 1.3 Cámaras y pilares según el tipo de mineral 1.3.1 Minerales Duros 1.3.2 Minerales Blandos 1.4 Forma de los Pilares 1.5 Tipos de Pilares 1.5.1 Pilares de soporte 1.5.2 Pilares de protección 1.5.3 Pilares residuales 1.5.4 Pilares de barrera 1.6 Variantes del método de cámaras y pilares 1.6.1 Classic 1.6.2 Post 1.6.3 Step 1.7 Recuperación del yacimiento 1.8 Recuperación de los pilares 1.8.1 Recuperación por hundimiento controlado del techo 1.8.2 Recuperación de pilares y reemplazo de pilares por pilares artificiales 1.8.3 Recuperación parcial de pilares 1.9 Refuerzo de los pilares 1.10 Distribución de pilares
6 6 7 8 8 8 8 8 8 9 9 10 10 10 10 10 11 11 11 12 12 12 12 12 13
2. Diseño del método de explotación por cámaras y pilares
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Conclusiones
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Referencias
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Anexos
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Introducción
Los métodos de explotación han sido uno de los procesos que la minería ha requerido siempre, para la extracción de minerales y estos métodos han sido la base para que siga la continuación y duración de la vida de la mina. Los objetivos principales de un método de explotación subterráneo o por interior son el diseño geométrico de los huecos a generar, la selección de la maquinaria y del sistema tecnológico más apropiado para lograr una extracción segura, económica y selectiva de los yacimientos de minerales a una cierta profundidad, sin tener que remover los materiales que lo recubren desde la superficie. El método de cámaras y pilares también conocido con el término “room and pillar” es un
método en donde la mayor parte del mineral es excavado del yacimiento minable, dejando parte del mineral como pilares o columnas que servirán para sostener el techo. En el sistema de cámaras y pilares, las cámaras son aberturas que se construyen en forma múltiple y paralelamente. Cuando son conectadas por aberturas transversales, se forman los pilares en forma cuadrada o rectangular, que sirve como soporte natural en la explotación. Si el depósito y el método son muy uniformes, la apariencia de la mina vista en planta no es diferente a un tablero de ajedrez o a las intersecciones de las calles de una ciudad. Por su naturaleza, el sistema de cámaras y pilares es idealmente apropiado para la explotación de múltiples mantos de carbón.
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Objetivos
Objetivo general:
Describir el método de explotación subterránea por cámaras y pilares
Objetivos específicos:
Identificar los parámetros requeridos para escoger el método de cámaras y pilares
Explicar los tipos de yacimientos para la aplicación de dicho método
Caracterizar la forma, los tipos y la correcta recuperación de pilares
Exponer como es la distribución de los pilares en el método de explotación.
Diseñar y calcular los pilares para una posible explotación.
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1. Método de explotación por cámaras y pilares
Es
un
método
de diferentes dimensiones,
de para
explotación
donde
posteriormente
se
desarrolla y prepara un bloque
avanzar
o extraer mineral generando un
frente de arranque denominado cámara. Para estabilizar o soportar el techo y/o piso se deja como sostenimiento natural mineral que constituyen los pilares, pilares rectangulares o machones. La recuperación de los pilares puede ser parcial o total, en este último caso, la recuperación va acompañada del hundimiento controlado del techo que puede realizarse junto con la explotación o al final de la vida del yacimiento, lógicamente el hundimiento del techo en este caso es totalmente controlado. 1.1. Aplicación del método de cámaras y pilares
El método de cámaras y pilares es el único que es práctico para explotar capas horizontales de poca potencia. Este método se usa mucho en la explotación de depósitos estratificados de origen sedimentarios tales como esquistos mineralizados de cobre y minerales industriales tales como caliza, sal y carbón. Los yacimientos que mejor se presentan para una explotación por cámara y pilares son:
Los yacimientos horizontales o con poco buzamiento, máximo de unos 30°, donde el mineral no puede escurrir por gravedad.
Los yacimientos en que la roca tenga una estabilidad aceptable en el techo y el mineral.
Condiciones principales:
Cuerpo mineralizado de grandes dimensiones
Cuerpo plano o casi plano (Buzamiento de 0 a 30°)
Roca competente
Forma del depósito; tabular
Profundidad del depósito suave o moderada ( 200m – 400m)
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Estas son algunas de las condiciones ideales para su aplicación y que lo hace un método relativamente eficiente; sin embargo, ellos no son los criterios limitantes por los cuales se seleccionaría el método. Los otros criterios serían:
la seguridad
el cumplimiento de las regulaciones ambientales y sociales
la óptima recuperación de mineral
operación que permita el retorno de la inversión.
1.2.Ventajas y desventajas del uso de cámaras y pilares
1.2.1. Ventajas:
El método hasta cierto punto es selectivo, es decir zonas más pobres pueden no explotarse sin afectar mayormente la aplicabilidad del método. En yacimientos importantes puede llegarse a una mecanización bien completa lo que reduce ampliamente los costos de explotación. En yacimientos que afloran a la superficie puede hacerse todo el desarrollo y preparación por mineral, o en caso contrario los desarrollos por estéril pueden ser muy insignificantes. Actualmente con el avance de la técnica de sostenimientos de techo pueden explotarse caserones de luces amplias con bastante seguridad. La recuperación del yacimiento aun no siendo del 100 % puede llegarse a recuperaciones satisfactorias del orden del 80 a 90 %
1.2.2. Desventajas:
Si el yacimiento presenta una mineralización muy irregular, tanto en corrida como en potencia podría llegar a afectar la explotación, limitando mucho la planificación del método, como así mismo la perforación y provocar problemas de carguío sobre todo para posibles mecanizaciones.
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Se emplea en yacimientos con buzamientos menores a 30º. Fortificación del techo. En ciertos casos cuando no es posible controlar el techo y es necesario llevar caserones muy angostos, puede concluirse, en un cambio de método de explotación por otro más adecuado, o emplear un método combinado, por ejemplo: Room and Pillar con Shrinkage. Tasa recuperación del yacimiento es muy baja, se debe entonces pensar en otro método.
1.3. Cámaras y pilares según el tipo de mineral
1.3.1. Minerales duros
La minería de cámaras y pilares en rocas y minerales duros es, pues, un método de explotación de apertura de cámaras con un ángulo pequeño con respecto a la horizontal que excava huecos y deja pilares distribuidos aleatoriamente en los yacimientos en los que la ley es variable. En los que la ley es constante o varia poco, la disposición y sección de los pilares es más regular y uniforme. Este método difiere de los demás en que la utilización de la gravedad en el flujo del mineral es muy limitada y el mineral debe ser cargado en la zona o tajo en que ha sido arrancado y transportado desde ese punto. 1.3.2. Minerales blandos
La unidad básica en la minería por cámaras y pilares en minerales blandos como carbón, potasa y sales sódicas es el panel o cuartel que define el área de la mina que debe ser minada y ventilada. Una vez preparado el cuartel para obtener una ventilación eficaz se realiza el arranque en avance de las cámaras dejando pilares regulares previamente diseñados. Terminada la explotación de las cámaras pueden explotarse los pilares en retirada, si las condiciones lo permiten.
1.4. Forma de los pilares
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Los pilares se disponen generalmente en forma regular. Pueden ser circulares, cuadrados, pilares de costilla o tener la forma de diamante o rombo, estos van separando las cámaras. El mineral que queda en los pilares puede ser extraído como una operación final en la mina, pero en general se considera como no recuperable. Sheviakov propuso 3 casos para cálculos de pilares: Caso 1: Pilares con longitudes muy largas
Wp
=
−∗₁− ∗∗ ∗
Caso 2. Pilares cuadrados
Wp
=
−∗₁ − ∗∗ ∗
Caso 3. Pilares rectangulares
Wp
=
²+ − ∗ − − ∗∗ ∗
1.5. Tipo de pilares
Se puede decir que en la extracción del carbón se emplean los siguientes tipos de pilares: 1.5.1. Pilares de soporte
Esta categoría incluye todas las situaciones donde el soporte principal del techo es suministrado por un sistema de pilares uniforme, así la carga de roca queda distribuida uniformemente sobre estas.
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1.5.2. Pilares de protección.
Son usadas para proteger las labores mineras de desarrollo, Galerías principales de: Transporte, Ventilación. Desagüe y Energía. Son de vital importancia para mantener en servicio labores mineras principales de vida relativamente larga. 1.5.3. Pilares residuales.
Comprenden una pequeña porción de un pilar de cámara, que queda o se deja al final de la extracción o arranque de un pilar, para proteger el paso de una ventilación temporal o para facilitar el arranque de los pilares siguientes, estos pilares residuales a menudo son dejados también para evitar concentración de altas cargas en los pilares de caramas adyacentes. 1.5.4. Pilares de barrera
Consiste en un bloque solido de mineral o pilar de costilla, dejado, sin extraer entre dos capos carboníferos o minas colindantes, para la seguridad contra accidentes derivados por afluencia de agua de mina vecina. También se llama pilar de barrera a los pilares grandes totalmente o relativamente intactos de una labor minera de transporte o de ventilación, que quedan alrededor de una concesión o propiedad minera para protegerla del flujo de agua o contra asentamientos ocasionados por derrumbes de la mina adyacente. Los pilares de barrera a veces son dejados para proteger una labor minera principal de transporte, ventilación, o a grupos de labores mineras como cámaras, contra asentamientos del techo; como también para separar paneles sin explotar de paneles explotados.
1.6. Variantes del método de cámaras y pilares
Según las condiciones geológicas pueden ser: Classic (tradicional), Post (inclinado) o Step (escalonado) 1.6.1. Classic:
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Se aplican a los depósitos planos estratificados, con espesores desde moderados hasta de gran espesor y también a yacimientos inclinados con grandes espesores. La explotación del depósito de mineral crea grandes bancos abiertos por donde las máquinas sobre neumáticos pueden desplazarse sobre el fondo plano. Los yacimientos de mineral de gran altura vertical se explotan en trozos horizontales, comenzando arriba, y por blancos hacia abajo en etapas. 1.6.2. Post:
Se aplican a yacimientos inclinados con un ángulo de inclinación de 20 a 25 grados, de altura vertical superior, donde el espacio explotado se rellena. Comienza en la parte inferior del cuerpo mineralizado y se extiende en la vertical por sub-niveles. El relleno mantiene a los pilares estables y sirve como plataforma de trabajo mientras se explota la siguiente tajada. La minería post cámara y pilares es un método híbrido entre cámaras y pilares con corte y relleno. El relleno aumenta el confinamiento permitiendo diseñar con un menor factor de seguridad y por lo tanto maximizando la recuperación. 1.6.3. Step:
Las cámaras y pilares por etapas es una variación que adapta la pared inclinada del yacimiento para un uso más eficiente del equipo con neumáticos. Aunque las aplicaciones no pueden generalizarse totalmente, la minería de cámaras por etapas se aplica a depósitos tabulares con espesores de 2,0 a 0,5 m e inclinaciones desde 15 hasta 30 grados. La minería de cámaras por etapas comprende una disposición donde las direcciones de transporte cruzan la inclinación del yacimiento a tal ángulo de que la pendiente de la rampa permita desplazarse hacia arriba. Orientando la excavación de escalones a lo largo de un buzamiento, los fondos de las inclinaciones toman un ángulo adecuado para un recorrido cómodo de los vehículos sobre neumáticos.
1.7. Recuperación del yacimiento
La recuperación del yacimiento puede variar de una mina a otra, dependiendo por una parte de las condiciones propias que presenta el yacimiento, y por otra, de la técnica empleada y grado de mecanización a que se ha alcanzado. La densidad de pilares influirá fuertemente
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sobre la recuperación del yacimiento. La recuperación puede variar de un 80 a 90% del mineral preparado, llegando en ciertos casos a recuperaciones del orden del 90%. 1.8. Recuperación de los pilares
En ciertos casos se justifica realizar estudios sobre la recuperación de pilares, sobre todo en yacimientos importantes La recuperación puede hacerse de varias maneras:
Recuperación por hundimiento controlado del techo.
Recuperación de pilares y reemplazo por pilares artificiales.
Recuperación parcial de pilares.
1.8.1. Recuperación por hundimiento controlado del techo:
Consiste en controlar perfectamente bien la estabilidad del techo y provocar el hundimiento a voluntad. 1.8.2. Recuperación de pilares y remplazo por pilares artificiales:
Este método es uno de los más corrientes y consiste en el remplazo del pilar de mineral por un pilar de concreto, encastillado de madera, muro de piedra de mampostería o simplemente por un gran número de pies derechos de sostenimiento. 1.8.3. Recuperación parcial de Pilares:
En algunos casos se adelgazan los pilares a un máximo y luego se refuerza con concreto (es una especie de camisa o cilindro alrededor del pilar). Puede hacerse la recuperación de pilares en forma alternada cuando las condiciones son favorables y abandonarse la zona, o también arrancarse los pilares alternativamente y provocar el hundimiento, esto tiene por objeto disminuir los esfuerzos en los pilares de aquellas zonas vecinas al hundimiento. 1.9. Refuerzo de pilares
Pernos
Cables
Malla metálica
Cintas de acero
Refuerzos de pilares
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En pilares importantes asociados a excavaciones permanentes, cuando éstos son inestables, se suele utilizar: pernos pasantes, cables pasantes o cables enrollados al pilar, siendo esta última conocida como el enzunchado de pilares, de tal manera que se llega a estabilizar el pilar inestable. Los cables que se utilizan son los mismos cables de refuerzo para el sostenimiento de excavaciones mineras.
1.10.
Distribución de pilares
Debe hacerse lo más sistemáticamente posible que se pueda, cuidando de no arriesgar la vida de la mina. En yacimientos que se presentan en forma de dos mantos separados, por una zona estéril y que se explota en forma separados dejando una loza entre los caserones, debe tenerse especial cuidado de que los pilares se encuentren lineados según la proyección vertical, es decir que la carga del pilar de arriba sea transmitida al pilar inmediatamente ubicado debajo, y no que la carga sea transmitida a la losa.
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2. Diseño del método de explotación por cámaras y pilares
Procedimiento: A. Se halla la constante k, que es igual a B. Se determina
= . √
con la formula = √
se prosigue a hallar el , que responde a la formula = ; para los casos de carbón se pueden utilizar la de Bieniawski: = 0,640,36 ó Obert & Duvall: = 0,7880,222 D. Se halla el con la formula =.. E. Finalmente se halla el FS que es igual a = C. Con
el
F. El Fs. debe dar en un rango entre 1.5 y 2. Se debe comprobar la Tasa de recuperación para que la explotación sea viable a través de este método (la tasa debe ser mayor del 50%). a. Sí al hallar el Factor de seguridad este da menor de 1.5 se debe recalcular cambiando las dimensiones de los pilares.
EJERCICIO Datos:
=20 =50=0.05 ℎ=1 =350 =24.52
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= 3 = 4 =? =? =? =? SOLUCION
A. Hallamos k
= √ =20√ 0.05 =4.47. B. Hallamos
= √ ℎ = 4.47. √ 0.9144 =4.67 ; en este caso = (0.640.36 ℎ) =4.67(0.640.36 31) =8.03
C. Hallamos
emplearemos
la
fórmula
de
Bieniawski:
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D. Hallamos
=..( ) 3 4 =(24.52 ) 350 3 =48439.22=48.44
E. Hallamos el Factor de seguridad:
= = 48.8.043 4 =0.17 F. Hallamos la tasa de recuperación:
3 = 1 = 1 43 =0.82=82% Como nos da un Factor muy inferior al mínimo (1.5) hay que rediseñar los pilares.
REDISEÑO 1.
= 4.670.640.36 1 2= 4 0.024350 =14.49
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, con el nuevo valor de Wp =4.67(0.640.36 14.149) =27.35
2. Se halla
3. Se halla Wo despejando de la fórmula de la tasa de recuperación
= 1 + 0.51=1 .+.
=6.21 4. Se
halla
Sp
con
los
nuevos
14.496.21 =(24.52 )350 14.49
=17514.28=17.51 5. Se halla el Fs
= = .. =1.58
valores
de
Wp
y
Wo
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Conclusiones
El método de explotación por cámaras y pilares es uno de los más rentables ya que se puede recuperar el mineral contenido en los pilares de soporte, además permite un menor costo en sostenimiento debido a que el techo es soportado mediante los pilares dejados en la etapa de desarrollo. Su aplicabilidad es bastante diversa, ya que permite la variación del método dependiendo de las características en la que se encuentra el yacimiento El ancho de las cámaras por razones de producción y recuperación debería ser de un gran tamaño, pero está limitada por la resistencia y la composición de la roca del techo, así como también, está en función de la presión ejercida por este. La selección del tamaño del pilar depende de la dureza del carbón, así como también de la resistencia del techo, de la presión ejercida por el terreno supra yacente y los esfuerzos residuales que puedan existir en la explotación. Para hacer un dimensionamiento óptimo de los pilares se deben relacionar cuidadosamente todos estos aspectos. El proceso de explotación se puede realizar en avance o en retirada. En la práctica se pueden diferenciar dos etapas; en la primera es en la cual se forman las cámaras y los pilares y la segunda es la recuperación o barrido de los pilares, dejando solamente los pilares de borde de panel. Como este método se caracteriza por la necesidad de dejar pilares que sostienen el techo, el objeto principal del diseño es, en estos casos; el cálculo de las dimensiones de los pilares para tener un determinado coeficiente de seguridad y la tasa de recuperación del yacimiento en las condiciones establecidas. Teniendo en cuenta el ejercicio planteado para el diseño y cálculo de pilares se pude concluir que cuando el factor de seguridad es menor a 1.5 se deben rediseñar los pilares asumiendo un valor entre 1.5 y 2, el cual en nuestro caso lo asumimos como el máximo valor del Fs para así volver a calcular las dimensiones y la resistencia del pilar.
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Referencias bibliográficas
“Guía Minero Ambiental de Explotación”, Ministerio de Minas y Energía, Colombia, Recuperado de:
http://www.simec.gov.co/Portals/0/Documental/1161.pdf Método de Explotación Cámaras y Pilares, Facultad de Ingeniería de Minas UNDAC, 2014, Recuperado de: http://es.slideshare.net/garciamp13/metodos-de-explotacin-por-camaras-y pilares-room-and-pillar Riesgos asociados a métodos de explotación por cámaras y pilares, Moya Mauricio, Chile, Julio de 2015. Recuperado de: http://www.emb.cl/hsec/articulo.mvc?xid=698&edi=31&xit=riesgosasociados-a-metodos-de-explotacion-por-camaras-y-pilares Método de explotación: Cámaras y Pilares, Universidad Nacional de Ingeniería, 2008, Perú, Recuperado de: https://es.scribd.com/doc/60816518/Clase-3-Camaras-y-Pilares Presentación 5: Calculo de Pilares, Ascencio Ascencio José Marcelino, Cúcuta, 2015. Caracterización de estructuras subterráneas artificiales. Aplicación a un caso concreto. Informe geotécnico y de Subsidencia, Instituto tecnológico GeoMinero de España, España, 1995. Recuperado
de:
http://info.igme.es/SidPDF%5C039000%5C311%5CInforme%20geotecnico%20y%20de% 20subsidencia%5C39311_0008.pdf
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Anexos
Diseño de un panel de Explotación por el método de Cámaras y Pilares
