UNIVERSIDAD NACIONAL SAN LUIS GONZAGA DE ICA FACULTAD DE INGENIERIA DE MINAS Y METALURGIA ESCUELA ACADEMICA DE INGENIERIA DE MINAS
MINADO POR CHIMENEA 1. Descripción del Método Este Método es denominado con el termino “raise mining” utilizado tanto en cuerpos mineralizados verticales como inclinados. Este método de explotación por chimeneas con perfección de taladros largos horizontales desde plataformas ubicados en chimeneas, se viene usando en minería desde hace muchas décadas; para la explotación de vetas angostas y bajo ciertas circunstancias en betas anchas, con cajas regulares de mediana a dura competencia. El principio consiste en la ejecución de chimeneas dentro del yacimiento mineralizado, y a partir de estas chimeneas se realizan la explotación de los recursos minerales previa planificación de la misma. 2. Ejecución de Chimeneas y Pozos. La excavación de chimeneas y pozos verticales o inclinados. Realizada para el acceso a las labores subterráneas. Se desarrolla por medio de dos métodos: mecanizado y convencional. i) Método Mecanizados. Las principales ventajas que presentan estos métodos, sobre los convencionales o manuales son: - Mayor seguridad para el personal, ya que en algunos métodos no se precisa que los trabajadores se encuentren dentro de la excavación durante la realización de la chimenea o pozo. Y en lo que es necesario estos disponen de mayor protección que en los métodos convencionales. - Mejor estabilidad del terreno, al no ser necesario el uso de voladura. La roca no se deteriora y se obtienen superficies lisas, con lo que esto supone menos necesidad de sostenimiento y menor resistencia al paso del aire. - Mejor rendimiento de perforación, debido al menor tiempo de ejecución. - Menores costos, como consecuencia del aumento de productividad. Auque sea mayor la partida de amortización, esta se ve compensada por el ahorro en mano de obra y materiales. Por estas razones, estos métodos son de uso frecuente en la actividad minera y civil. Para la construcción mecanizada de chimeneas y pozos existen fundamentalmente tres tipos de maquinas, con ligeras diferencias entre ellas según la empresa fabricante. Los tres grupos de maquinas son: “shaft drilling”, “shaft boeing” y “raise boeing”. a) “Shaft drilling” Este sistema se utiliza para la perforación de pozos de gran diámetro siendo una extensión de las técnicas convencionales de perforación rotativa usadas habitualmente en la extracción de petróleo.
El amplio desarrollo de esta técnica fue iniciado por la Atonic Energy Comisión (AEC), durante los años 60, como parte del programa de pruebas nucleares en la zona de Nevada. El “shaft drilling”, consiste en excavar pozos en sentidi descendente utilizando una plataforma de perforación de gran diámetro la que se encuentra situado en superficie. La excavación del pozo puede realizarse en una sola etapa o en sucesivas etapas de ensanche. La evacuación del detritus se consigue normalmente mediante la circulación inversa del lodo de perforación. Manteniendo el pozo lleno de lodo de perforación se consigue la estabilidad de este y se impide el flujo de agua mientras se realiza la instalación de revestimiento. El “shaft drilling” compite generalmente con los métodos tradicionales en rocas débiles o medias, pudiéndose adapta alas condiciones hidrogeológicas mas difíciles. Las mayores torres de perforación llegan a perforar formaciones con resistencia a la compresión superior a los 300 Mpa. El diseño en las operaciones de perforación requiere la ejecución de los siguientes pasos: 1. Elegir el método de perforación con relación a las condiciones hidrogeológicas y a los parámetros geotécnicos de la roca a lo largo del pozo. A continuación se deberá seleccionar la torre en función del diámetro y de la profundidad del pozo, de las etapas de perforación, y si acaso de la propiedad del lodo de perforación. 2. Diseño de la cabeza del pozo. 3. Selección del tipo y tecnología en la colocación del revestimiento. 4. Diseño del sistema de sellado frente al agua. 5. Organización del lugar de perforación y ubicación de los tanques para el lodo de perforación, para almacenamiento del revestimiento y otros materiales.
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b) “Shaft boring” El “shaft boring” es la tecnología más nueva y probablemente la más avanzada en construcción de pozos, auque esta tecnología sea de los años 60. El equipo se denomina máquina de profundización de pozos o “shaft boring machine” y se asemeja a una tunelera “tunnel boring machine”, con personal a bordo, realizándose el transporte del lodo y el servicio desde la superficie. El principal problema que se encuentra en este tipo de perforación es la evacuación de los detritus: para solucionar este problema se ha desarrollado diferentes técnicas correspondientes a las empresas que fabrican este tipo de maquinas. Las dos empresas principales de equipo “shaft boring” son Wirth GMBH de Erkelenz (Alemania) y la robbins Company de Seattle (EE.UU.); el desarrollo e historia de esta técnica esta estrechamente ligada a estas dos compañías.
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c) “Raise boring” También llamado “raise drilling”, es el sistema de ejecución de un pozo o chimenea por medios mecánicos entre dos o más niveles. Todos los niveles pueden ser subterráneos, o el nivel superior estar en la superficie. Este método se desarrollo en Estados Unidos durante los años 50. Para ello se diseño un método en el que primero se efectuaba un sondeo piloto siguiendo después con el ensanche de la chimenea en sentido ascendente. Utilizando un tamaño mayor de cabeza de corte se ensancha la perforación en una o varias etapas logrando el final el diámetro requerido. La primera vez que se utilizo una maquina de este tipo fue en 1962 en la mina Homer Wanseca de Michigan USA. Se trataba de un taladro piloto de 250 mm de diámetro, llegando finalmente a un diámetro de 1016 mm... Desde entonces se añadieron diversas innovaciones al método “raise boring” con el fin de solucionar la necesidad de conectar perpendicularmente galerías horizontales. Con el avance tecnológico creció el número de países que emplean este sistema: a parte de emplearse en las chimeneas se usan hoy en día para otros campos, como para perforaciones piloto previas para la construcción de pozos de grandes diámetros, pozos de ventilación, centrales hidráulicas y para depósitos subterráneos. El empleo principal del “raise boring”, suele desarrollarse para una gama de diámetros entre 2000 a 3000 mm y unas profundidades de 100 a 200 m; pero de todas formas se encuentran maquinas que respondan a otras exigencias mas altas. Uno de los pozos más grandes realizados hasta ahora por el método “raise boring”, es el pozo de ventilación de Rustenberg Plate Mine en Sudáfrica con un diámetro de 6022 mm y una profundidad 1099 m. En el Perú se han empleado en muchas minas como en San Vicente. Raura, etc.
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d) Pautas para la selección del método 1. La aplicación de “shaft drilling” se prefiere en condiciones donde: -
La congelación puede ser necesaria en el control de infiltraciones de agua durante la excavación convencional de pozos. Los requerimientos en el revestimiento de pozos precisan el uso de un revestimiento de acero/hormigón hidrostático. El acceso rápido prevalece sobre su mayor costo. La alteración de la roca es un criterio primordial en la utilización de esta técnica. No hay acceso disponible para la eliminación del lodo bajo la superficie.
2. El uso de “shaft boring” se aconseja cuando: -
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El impacto adverso de infiltraciones superficiales de agua puede ser económicamente mitigado antes de la construcción, por ejemplo a través de lechadas. La caída de la roca permite tiempos de ejecución compatibles con los ciclos en las operaciones mineras. El acceso rápido prevalece sobre los costos añadidos.
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Las alteraciones en la roca son factor principal que hay que tener en cuenta en la elección de este método. El acceso esta disponible para la organización del trabajo y la eliminación del lodo bajo tierra. La geología permite la perforación del taladro piloto con las tolerancias requeridas para el diseño del pozo. Es necesario el acceso inmediato al estrato perforado para un examen geológico, instalación de los instrumentos y pruebas necesarias. No existen otras aperturas cercanas.
3. La perforación con “raise boring” se recomienda en casos donde: -
Las condiciones del lugar deben ser estables por ejemplo la calidad de la roca y ausencia de grandes corrientes internas de agua. El acceso este disponible para la organización del trabajo y la eliminación del lodo bajo tierra. La estructura geológica debe permitir la perforación piloto con las tolerancias requeridas por el diseño del pozo. Las necesidades del diseño (diámetros, profundidad, etc.) deben ser compatibles con las exigencias del equipamiento.
Según las condiciones, la perforación con “raise boring” puede ofrecer un costo menor que los otros métodos de construcción de pozos.
ii) Métodos convencionales. Para la excavación de pozos de gran longitud y sección, Se utilizan estructuras metálicas o equipos de accionamiento neumático o hidráulico que van equipados con 3 o 4 brazos e igual número de deslizadores y perforadoras; de los ya conocidos de sistema de avance con puntales. Durante el trabajo estos conjuntos se apoyan en el fondo del pozo y se anclan a los hastiales con unos cilindros hidráulicos horizontales. La columna soporte central puede girar 360º, y los brazos, que son semejantes a los de los jumbos de túneles, pueden variar su inclinación con respecto a la vertical y alargarse si son telescópicos. Una vez perforado y cargado cada disparo el conjunto se pliega y eleva hasta una posición segura, pasando a continuación a la operación de desescombro con cucharas bivalva o retro hidráulicas y cubas. Dentro las principales tenemos: a) Jaula Jora Esta maquina fabricada por Atlas Copco, se aplica generalmente en la excavación de chimeneas, tanto verticales como inclinadas. La diferencia básica con el Alimak es que se precisa la realización de un barreno piloto de un diámetro entre 75 a 100 mm por donde penetra el cable de elevación. Los principales componentes son; la plataforma de trabajo, la jaula de transporte, el mecanismo de elevación y en chimeneas inclinadas el carril guía.
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Durante la perforación, la plataforma se fija a los hostiales de la excavación mediante un sistema de brazos telescopicos. El principal inconveniente de este método, frente al Alimak, es la perforación del barreno piloto, pues el control de su desviación dependerá de la longitud de la chimenea. El campo de aplicación practico y económico se encuentra entre los 30 y 100 m. En cada disparo es necesario desenganchar la jaula del cable de elevación. Pues de lo contrario este último se dañaría durante las voladuras. El barreno central presenta las ventajas de servir de hueco de expansión en los cueles paralelos, con los que se consiguen avances por disparo de unos 3 a 4 m. de entrada de aire fresco.
b) Plataforma trepadora Alimak. Este método de excavación se utiliza para chimeneas y piques, debido a su flexibilidad, economía y velocidad, y se ha convertido en uno de los más usados del mundo, sobre todo en aquellos casos donde no existe ningún nivel de acceso superior. Estos equipos están constituidos por una jaula, plataforma de trabajo, botones de accionamiento, el carril guía y los elementos auxiliares. 7
La elevación de la plataforma se realiza a través de un carril guía curvado empleando motores de aire comprimido, eléctricos o diesel. La fijación del carril a la roca se lleva a cabo con bulones de anclaje, y tanto las tuberías de aire como de agua necesarias para la perforación y ventilación se sitúan en el lado interno del carril guía para su protección. Durante el trabajo los perforistas se encuentran sobre una plataforma segura, ya que disponen de una cubierta y una barandilla de protección, y para el transporte del personal y materiales se utiliza la jaula que se encuentra debajo de la plataforma. En un relevo dos perforistas pueden avanzar de 2.2 a 3 m. Los accionamientos de aire comprimido son adecuados para longitudes inferiores a los 200 m. los eléctricos hasta 800 m. y a partir de esas distancias se recomiendan los motores diesel. Las principales ventajas de estos equipos son: -
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Pueden usarse para chimeneas de pequeña o gran longitud y con cualquier inclinación. Las diferentes secciones y geometrías de las chimeneas se pueden conseguir cambiando las plataformas, siendo posible excavar secciones desde 3m2 hasta 30m2. Es posible en una misma obra cambiar la dirección e inclinación de las chimeneas mediante el uso de carriles curvos. La longitud de las excavaciones pueden ser prácticamente ilimitada. La chimenea mas larga efectuada hasta la actualidad tiene 1040 m y una inclinación de 45º. En el ensanchamiento de chimeneas piloto para la excavación de pozos de gran sección puede complementarse con unidades de perforación horizontal. En terrenos malos las plataformas pueden utilizarse para realizar el sostenimiento mediante bulonaje, inyección, etc. La inversión es menor que con el sistema “raise boring”. No requiere mano de obra demasiado especializada. La preparación inicial del área de trabajo es muy reducida.
Por el contrario algunos inconvenientes que presenta son: -
El ambiente de trabajo es de escasa calidad. La rugosidad de las paredes resultantes es grande y el estado del macizo remanente es peor que el conseguido con el sistema “raise boring”.
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Tipos de plataforma trepadoras. a) Plataforma trepadora STH- 5E de propulsión eléctrica. Se tiene dos tipos: STH-5E con una unidad propulsora -
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Área máxima aproximada Chimenea vertical Longitud máxima Aproximada de chimenea Velocidad de ascenso Velocidad descenso por gravedad Potencia motor
: 7 m2 : 800 – 900 m. : 18m/min. : 25 – 30/min. : 10 HP
STH-5EE con dos unidades propulsoras -
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Área máxima aproximada Chimenea vertical Longitud máxima Aproximada de chimenea Velocidad de ascenso
: 15 m2 : 800 – 900 m. : 18m/min. 9
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Velocidad Descenso por gravedad Potencia motor
: 25 – 30/min. : 2 x 10 HP
b) Plataforma trepadora STH-5D de propulsión Hidráulica. STH-5D con unidad propulsora -
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Área máxima aproximada chimenea vertical Longitud máxima Aproximada de chimenea Velocidad de ascenso Velocidad descenso por gravedad Potencia motor
: 5 m2 : 200 m. : 22m/min. : 25 – 30/min. : 38 HP
STH-5DD con dos unidades propulsoras -
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Área máxima aproximada Chimenea vertical Longitud máxima Aproximada de chimenea Velocidad de ascenso Velocidad Descenso por gravedad Potencia motor
: 10 - 15 m2 : 200 m. : 15 - 22m/min. : 25 – 30/min. : 38 HP
3. Explotación por chimeneas La gran de este sistema de explotación, al compararlo con la mayoría de los métodos de explotación subterránea mas conocidos, es el ahorro que se logra a través de la minimización de los trabajos de desarrollo efectuados fuera del cuerpo mineralizado. Como no se necesitan subniveles, se aumenta la distancia entre los niveles principales, con la consiguiente disminución de los costos unitarios. Preparación: Se desarrolla los accesos de extracción, ya sea piques o rampas; desde allí se desarrollan las galerías de extracción y los “ore pass”; desde la galería de extracción se realizan los “draw point”. Simultáneamente se desarrollan las chimeneas de explotación atravesando el cuerpo mineralizado hasta el nivel superior. Diseño: El diseño se puede adecuar a las labores antiguas de preparación o puede planificarse de acuerdo al yacimiento que se explotara, las labores se adecuan a las necesidades de operación siempre tratando de minimizar los costos de preparación.
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Se debe tener bastante cuidado en la ubicación de las chimeneas de explotación, así como las diferentes labores en el nivel de acarreo. La ubicación correcta de las diferentes labores de preparación facilitara el control de los contactos mineralizados durante las diferentes cortes en la explotación, así como también el orientar los planos de perforación en forma casi transversal a los principales planos de fractura, aspecto que favorece la fragmentación. La explotación se puede iniciarse en varios frentes simultáneamente, dejando pilares si es necesario para sostener las cajas. Las secciones de la diferentes labores en el nivel de acarreo serán diseñados de acuerdo al tamaño del equipo. Minado: Desde las chimeneas utilizando la plataforma de trepadora Alimak o usando una plataforma de izaje Jaula Jora, se perforan los taladros largos horizontales; luego desde la misma jaula se realiza el cargo de explosivos, para la ejecución de la voladura, antes tendrá que removerse los rieles guiadores en el caso de Alimak y retirar la jaula en el caso de Jaula Jora; en las figuras 2.32 se observa el sistema de minado. 4. Minado por chimeneas en el Perú Minado por chimeneas en la mina Atacocha Este método de explotación fue propuesto para algunos cuerpos mineralizados más favorables por sus características geológicas y geomecánicas con fines de su mecanización. La alternativa de explotación propuesta, “raise mining” o explotación por chimeneas. Con perforación de taladros largos, horizontales, aplicados a cuerpos irregulares con cajas de mediana competencia, se sujetan a las condiciones que requiere Atacocha: -
Mayor seguridad durante el laboreo. Control de dilución en niveles moderados. Bajos costos de inversión y preparación (adecuados labores y usando equipo existente). Generar una producción mucho más rápida desde un inicio.
En este contexto el trabajo pretende mostrar las bondades que ofrece la aplicación de la técnica de perforación de taladros largos horizontales desde plataformas ubicadas en chimeneas de explotación. Aspectos Geológicos: En el yacimiento minero de Atacocha se pueden diferenciar dos unidades: Atacocha y Santa Bárbara, distantes un kilómetro una de la otra, separadas por la falla regional Atacocha. En la unidad Atacocha la mineralización se presenta en forma de cuerpos de relleno y remplazamiento y también en vetas o filones. En la unidad Santa Bárbara se tiene la presencia de cuerpos metasomaticos de contacto con una orientación de norte a sur y una mineralización emplazada en el contacto de la aureola de Skarn con el mármol. En el flanco oeste del intrusito Ayarragran.
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La mineralización de mena en estos cuerpos esta conformado por escalerita con pequeñas cantidades de galena y calcopirita. Marco geomecánico del área.- El área seleccionada para el desarrollo del minado masivo experimental se ubica en la zona sur de Santa Bárbara entre los niveles 4095 y 4154 y esta conformado por el “ore body” Vascania. Dicho sector se ubica dentro de un halo de “skarn” de aproximadamente 130 m de potencia entre las secuencias wallastonita – mármol a una distancia media de 70 m del intrusivo. A la fecha no existen antecedentes mecánicos de calidad de roca para el área seleccionada: sin embargo, dadas las características de dureza y competencia podemos definir a la zona metazomatico como competente. Los sistemas de fracturamiento “in situ” reconocidos por geología han definido direcciones de máxima debilidad estructural según los planos promedio como se indica a continuación: a) Rumbo E-W b) Rumbo N50º
Buzamiento 80º al norte. Buzamiento 75º al noroeste.
Sistema de explotación en aplicación.- El método de explotación en aplicación es el corte y relleno ascendente con relleno detrítico e hidráulico indistintamente, sin uso de sostenimiento temporal como el “split set”, La evolución bajo el mismo esquema de sistemas convencionales a semimecanizados y mecanizados. La producción actual programada es de 2500 t/día proveniente de 45 “stopes”. Siendo el 66% aporte de terceros. El diagnostico de la operación señala ciclos de explotación largos y prolongados debido a la demanda que origina la operación de relleno, que condiciona la continuidad del proceso y no permite una producción continua de mineral; así como también a dificultades y demoras en la extracción ocasionadas por la naturaleza higroscopica del mineral, que en su traslado a superficie, al pasar por varias etapas de manipuleo, llega bastante confinado, apelmazándose especialmente en las tolvas. “Raise minig” como método alternativo de explotación. Descripción del método. El método de explotación por chimeneas con perforación de taladros largos horizontales desde plataformas ubicadas en chimeneas se viene usando en minería desde hace muchas décadas. En un principio para la explotación de vetas angostas y bajo ciertas circunstancias en vetas anchas. El uso del equipo Alimak Raise Climber, diseñado para la ejecución de chimeneas y para la perforación de taladros largos de producción, ha facilitado la aplicación de método para casos de cuerpos anchos con contornos irregulares como el nuestro. Una vez ganado acceso al cuerpo mineralizado se inicia en el nivel de acarreo la preparación de la infraestructura de recepción y almacenamiento de mineral “draw point”. Simultáneamente se desarrollan las chimeneas de explotación atravesando el cuerpo mineralizado hasta el nivel superior. Posteriormente, utilizando la plataforma de la trepadora Alimak o usando una plataforma de izaje Jora Lift, se perforan los taladros largos horizontales, se realiza el cargado de explosivos y la remoción de los rieles guiadores. Finalmente se ejecuta la voladura y el subsiguiente carguío y transporte de mineral.
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Plan General Objetivos: -
Mayor seguridad. Alta productividad. Bajos costos de producción. Posibilidad de hacer rentable la explotación de “Blocas” marginales. Dilución en niveles moderados. Concentración de la producción. Baja inversión. Alta rentabilidad.
Alcances: El diseño parcial del “ore body” Vasconia Stope 62 proyecta una producción regular de 960 t/día con dos equipos de perforación y 18 hombres.
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La importancia que demande la aplicación de la propuesta permitirá identificar y priorizar los factores críticos para la optimización del método y finalmente, para enmarcar el entorno del manejo operativo de la producción, que favorecerá la mejora del proceso con el fin de establecer posteriormente un plan de desarrollo estratégico. Criterios del diseño El diseño se plantea priorizando la necesidad de intensificar el grado de mecanización de las operaciones y obras civiles asociadas, considerando los siguientes aspectos: a) Geomecánicos Se contempla la estabilidad de la excavación, la orientación del avance de la explotación, el control de la sobreescavación en los contactos y la fragmentación. La roca encajonante que contiene el mineral es competente, capaz de soportar grandes cavidades. Las alteraciones son más intensas en las calizas (rocas encajonantes) y se manifiestan principalmente como recristalización, silicificación y silicatación. b) Reservas – “ore body” Vasconia - Block Nº : Stope 62-A-1 - Toneladas : 150 000 - % Pb : 0,41 - % Zn : 0,85 - oz Ag/tc : 0,60 - oz Au/tc : 0,017 - % Cu : 0,057 c) Dilución El sistema de perforación “long hole”, distribuidos en planos horizontales separados entre si por un burden (1,50 a 2,0 m), controla los contactos durante el avance de la perforación. Con este sistema de perforación se podrá determinar las leyes (muestreando lamas de perforación). Entonces antes del disparo se podrá conocer dichas leyes. Informes de minas que usan el sistema de explotación por chimeneas hacen mención de un 5% como porcentaje de dilución. d) Diseño de mina El diseño se acomoda a las condiciones establecidas por antiguas labores de preparación del corte y relleno ascendente con equipo cautivo; estas labores se adecuan a la nueva necesidad de operación con el objeto de bajar los costos de preparación. Se pone especial atención a la ubicación de las chimeneas de explotación, así como a las diferentes labores en el nivel de acarreo. La ubicación correcta de las diferentes labores de preparación facilitará el control de los contactos mineralizados durantes los diferentes cortes en la explotación, así como también orientar los planos de perforación en forma casi transversal a los principales planos de fracturas, aspecto que favorecerá la fragmentación.
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e) Capacidad de equipos El hecho de aprovechar antiguas labores de desarrollo de sección reducida, galerías de 2,4 x 2,4 m, limita el uso del equipo LHD de mayor capacidad. Actualmente se tiene un scooptrams de 2,2 yd3 en el acarreo. En las chimeneas se requiere una sección mínima de 2,5 x 2,5 m, recomendable para el uso de equipos de perforación “long hole” (3,0 x 3,0 m); en este caso se determina 2,8 x 2,8 m, con una plataforma estándar mínima de 2,4 x 2,4 m. f) Planificación y evaluación de la producción Durante la adaptación, se estima una producción de 960 t/d con el propósito de mejorar así recomendar en el futuro una producción que permita mejorar eficientemente la productividad con costos competitivos, incorporando conceptos modernos de minería.
Ing. Arturo Gutiérrez Docente del Curso
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