Factores Geológicos, Geotécnicos y Geomecánicos Que Controla

Factores Geológicos, Geotécnicos y Geomecánicos que controlan el proceso de Voladura en Lomas Bayas

Carlos Muñoz Muño z  Área de d e innovaci inn ovación ón y Tecnología-BBS Tecnol ogía-BBS,, Gerencia Ger encia Técnica Técni ca - Orica Chile Ch ile S.A.-OMS S.A .-OMS [email protected] 1

Víctor Carrasco, 2 Miguel Calvo

Superintendencia de Geología, Compañía Minera Xstrata Lomas Bayas-XSTRATA COPPER 1

[email protected]  , 2 [email protected] 

RESUMEN Lomas Bayas presenta variaciones en el comportamiento de los materiales frente al desarrollo de vola vo ladu dura ras. s. Los factores que controlan el proceso son: La composición mineralógica y text text ura de la roca, distribución de la alteración hidrotermal, orientación de estructuras geológicas, frecuencia de fracturas, condición de las discontinuidades discontinuidades y calidad geotécnica del macizo. Se propo ne un nuevo sistema de evaluación y control de calidad en voladuras que considera parámetros operacionales, de fragmentación y estabilidad de taludes. PALABRAS CLAVE: Factores que controlan la la voladura, Lomas Bayas, Evaluación de voladuras.

1 INTRODUCCIÓN Los resultados de voladura afectan directamente a los procesos mina-planta, permitiendo una buena fragmentación y un desplazamiento adecuado: Minimizar el daño a equipos, optimizar los tiempos de carguío, aumentar el rendimiento efectivo en los equipos de extracción y mejorar los procesos de chancado, molienda y posterior recuperación metalúrgica. A su vez, una buena configuración de carga y secuencia de disparo permiten maximizar el aprovechamiento de la energía liberada en la detonación  para fragmentar fragmentar la roca y dismin disminuir uir el daño induci inducido do al macizo rocoso por efecto de vibraciones vibraciones (Hustrulid 1999, Morin & Ficarazzo 2006, Muñoz & Guerra 2006). El yacimiento de Lomas Bayas se localiza en el Norte de Chile emplazado en la Sierra San Cristóbal, aproximadamente a 110 Km. al Noreste Noreste de la ciudad de Antofagasta. Corresponde a un pórfido cuprífero en asociación con brechas magmático-hidrotermales y edad de mineralización de ± 60 Ma (Varela 2001). La alteración hidrotermal se caracteriza por la presencia de halos bien definidos que incluye incluye las paragénesis paragénesis pótasica, propilítica, cuarzo-sericítica cuarzo-s ericítica y argílica avanzada (Simons 1995, Olivares 1997). Localmente se reconocen reconocen la presencia de halos de silicificación silicificación y alteración cuarzocuarzoturmalina. La mineralización supérgena (6 20 Ma) concentra minerales de Cu en zonas de oxidación (Sulfatos de Cu) y enriquecimiento (Principalmente calcosina), mientras que la zona hipógena se caracteriza por la presencia de calcopirita, pirita y molibdenita principalmente (Varela 2001). Las reservas rese rvas del yacimiento se calculan calcul an en 240 Mt y una ley media de 0.21% de cobre soluble solubl e (Reserve and Resources Minera Lomas Bayas 2006) . La explotación, a cargo de la Compañía Minera Xstrata Lomas Bayas (CMXLB), ( CMXLB), es a rajo abierto y se realiza por métodos convenciona conven cionales les de operaciones unitarias (Perforación, voladura, carguío, transporte) y procesos planta (HEAP y ROM). El movimiento de material diario alcanza las 150 kt (Reserve and Resources Minera Lomas Bayas 2006) con una producción anual de 60 kt toneladas de cátodos de Cu.

Actualmente Orica Mining Services (OMS) presta en CMXLB los servicios de: Administración de  polvorines, carguío de pozos de voladuras, suministro de materias primas y accesorios, además de asistencia técnica, bajo un concepto de total load system  (TLS). La asistencia técnica, de carácter  permanente enfoca sus estudios hacia la optimización continua de la fragmentación y el control de daños a los taludes. Los estudios de fragmentación son llevados a cabo mediante la determinación de la curva granulométrica característica del material tronado vía powersiveTM , mientras que el control del daño se enfoca principalmente al monitoreo de vibraciones y perturbaciones sísmicas inducidas por voladuras en el macizo rocoso como en estructuras edificadas. Además, la asistencia técnica brinda un apoyo permanente en el diseño, secuencia y actualización de estándares en conjunto con la elaboración de informes rutinarios de ocurrencias anormales en el proceso de voladura y no-rutinarios según las necesidades planteadas por la mina.

Fig.1 Sección geológica representativa de Lomas Bayas (Según Varela, 2001)

Diametro  Altura Banco Pasadura Longitud Perforación Burden Espaciamiento Densidad roca Toneladas por pozo Densidad explosivo Columna explosiva Taco Explosivo por pozo Factor de carga

La tabla 1. muestra los estándares de diseños para voladuras utilizados actualmente en Lomas Bayas. Si bien es cierto los resultados en fragmentación han sido óptimos (D 80 mineral =15.24 cm y D80 estéril =19.05 cm) y los taludes no han presentado mayores  problemas de estabilidad, cumpliéndose con los diseños de fases  proyectados, no existe claridad acerca de los factores intrínsicos del macizo rocoso que controlan su comportamiento frente a la voladura. Debido a esto y a la necesidad de la mina de contar con un sistema de gestión y control de calidad frente Fases a los resultados de voladura, es que Unidad VII Sup VII Inf   se desarrolló un estudio de línea base mm 270 270 que consideró aspectos m 15 15 operacionales,geológico-geotécnicos m 2 2 y de ingeniería de taludes. El m 17 17 objetivo, reconocer los factores m 6.5 7.0 geológicos, geotécnicos y m 11.0 11.5 geomecánicos que controlan el t/m3 2.61 2.61  proceso de voladura, además de t 2799 3152 establecer un sistema de evaluación g/cc 1.3 1.3 continua que permita cuantificar m 10.5 10.5 m 6.5 6.5 resultados de fragmentación, índices Kg 793.0 793.0 operacionales y calidad geotécnica g/t 270 240 alcanzada en banco rematado.

Tabla.1 Estándares de diseño para voladuras en Lomas Bayas.

2 MATERIALES Y METODOS Para el desarrollo de la presente línea base se contó la asesoría de dos consultores, expertos en voladura y geotecnia aplicada, por un período aproximado de cuatro meses. Visitas técnicas  permanentes a terreno más trabajo de gabinete comprendieron las etapas básicas del estudio. La metodología utilizada fue analizar la información histórica de perforación-voladura y comparar los resultados obtenidos con las características geológicas, geotécnicas y geomecánicas del macizo rocoso. Para tal efecto se contó con la siguiente información: 1) Base de datos de sondajes de la mina con parámetros geológicos (Litología, alteración, mineralización, densidades, etc). 2) Ensayos geomecánicos in-situ y de laboratorio. 3) Base de datos de mapeo geológico de superficie. 4) Base de datos de mapeo estructural de superficie (Incluyendo mapeos de celda). 5) Modelo litológico (Sólidos 3D de unidades litológicas). 6) Modelo estructural (Sólidos 3D de estructuras principales). 7) Zonificación geotécnica del rajo (Dominios estructurales, clasificación GSI, clasificación de Ashby, mapa de riesgos). 8) Modelo de bloques con parámetros geológicos. 9) Topografía 3D de todas las fases del proyecto. 10) Plan minero. 11) Recopilación de todos los estudios geológicos y geotécnicos con anterioridad al presente estudio. 12) Base de datos histórica de voladuras (FC, tipo y características de explosivos, accesorios). 13) Estándares de voladuras (2000-2007). 14) Histórico de diseños de perforación (Geo-referenciados y en 3D). 15) Base de datos histórica del rendimiento efectivo de equipos de carguío y transporte. 16) Estudios de fragmentación. 17) Monitoreo de vibraciones. Una vez reconocidos los factores que controlan el proceso de voladura se estableció un nuevo sistema de evaluación que considera aspectos operacionales, de fragmentación y estabilidad de taludes. El método de evaluación obtenido fue puesto a prueba con los resultados de voladuras para el período 2006. 3 RESULTADOS Del estudio realizado se desprende que para el caso de Lomas Bayas los principales factores que controlan el proceso de voladura son: Cambios en la composición y textura de la roca, distribución de la alteración hidrotermal, orientación de estructuras, frecuencia de fracturas, condición de las discontinuidades y calidad geotécnica del macizo rocoso. Cambios en la composición mineralógica se reconocen principalmente en el Intrusivo Granodiorítico y el Pórfido Lomas, mientras que cambios en la textura se reconocen en todas las unidades asociadas al yacimiento (Simons 1995, Olivares 1997, Varela 2001). La granodiorita se presenta más bien como una unidad texturalemente homogénea (Simons 1995, Olivares, 1997) presentando algunos cambios, debido a procesos de alteración hidrotermal y reemplazos secundarios (Varela 2001). La composición mineralógica, por su parte, en roca fresca presenta variaciones desde el rango de las Tonalitas hasta Cuarzo Monzonitas y se asocia a  procesos de cristalización fraccionada (Olivares 1997, Varela 2001). El comportamiento de esta unidad, según los factores discutidos, frente a voladura no pudo determinarse, ya que la información disponible no cuenta con datos mineralógicos ni texturales suficientes, pero es lógico pensar que de la misma manera que en otras faenas (Muñoz & Guerra 2006) estos factores tengan un rol importante en los resultados. Por su parte, el Pórfido Lomas exhibe variaciones, tanto en la composición mineralógica, como en la textura (Simons 1995, Olivares 1997, Varela 2001) atribuidas inicialmente a efectos de la alteración hidrotermal (Olivares 1997); Recientemente se han diferenciados dos tipos de  pórfidos según su textura y composición. El Pórfido Lomas  sensu-stricto  se caracteriza  petrográficamente por ser un pórfido granodiorítico con tendencias cuarzo-feldespáticas y textura faneritíca pórfidica (Simons 1995, Olivares 1997, Varela 2001), mientras que el Pórfido Lomas de grano fino muestra tendencias más básicas (hasta un 10% en máficos) y una típica textura macroscópica de aspecto “manchado”; Estos aspectos se ven reflejados en el comportamiento frente a voladura exhibiendo el pórfido de grano fino un carácter más resistente al que se asocian mayores factores de carga (FC) y mallas de perforación con dimensiones menores (relacionado a un burben entre filas y espaciamiento entre pozos menor) a las utilizadas en el Pórfido Lomas en  sensu-stricto. Por otro lado, el conjunto de brechas, tanto de orígen magmático como hidrotermal, presenta

variaciones texturales importantes que controlan el comportamiento de estas unidades frente a voladura. La Brecha de Cuarzo-Turmalina necesita de mayores FC y mallas de menor dimensión que el resto de las brechas. Por último, el conjunto de diques afaníticos que cortan principalmente al Intrusivo Granodirítico, poseen cambios en la composición mineralógica que se reflejan  principalmente en la proporción de ferromagnesianos. Cambios texturales pueden ser reconocidos por la presencia de microdiques aplíticos hacia el sector del antiguo rajo Andacollo (Varela 2001). Al  presentarse los anteriores en muy baja proporción dentro del yacimiento su impacto en los resultados de voladura se minimiza. Por otro lado, la alteración potásica fuerte y cuarzo-sericítica débil , en granodiorita y pórfido, presentan los valores más elevados de Resistencia a la Compresión Uniaxial (RCU). Al comparar la distribución de estas alteraciones con los estándares de voladura históricos se observa que los máximos FC utilizados concuerdan con estas zonas de alteración (Tabla.2). Por otro lado, en zonas de silicificación y alteración cuarzo-turmalina se han utilizado FC inclusive de hasta 400 (g/t), pero al localizarse estas alteraciones en zonas concretas y en baja proporción corresponden a casos puntuales y sin mayor representatividad. Por su parte, a medida que aumenta el grado en la alteración cuarzo-sericítica y se sobreimponen minerales de alteración de baja temperatura se oberva cómo los parámetros resistentes y los FC utilizados disminuyen considerablemente. Las unidades de  brecha no se relacionan directamente con el tipo de alteración al dominar en éstas los factores de fracturamiento y brechificación, sin embrago, en zonas puntuales de silicificación y turmalinización los parámetros resistentes y FC utilizados muestran valores elevados.

Tabla.2- Estándares de voladuras históricos versus caracteristicas geológicas, geotécnicas y geomecánicas del macizo rocoso.Tipos de alteraciones: po=potásica con biotita, pf=potásica félsica, qs= cuarzo-sericita, ar=argílica, tu=turmalina. Intensidad: d=débil, m=moderada, f=fuerte.

Tabla.3 -Estándares actuales de voladura versus características geológicas.

La orientación de estructuras influye principalmente en los resultados obtenidos en voladuras de contorno relacionado con el cumplimiento en los diseños, sobrequiebre y presencia de medias cañas. En la fase VII, superior e inferior, se observa que cambios en el dip/dipdir   de estructuras producen efectos de control planar, bloques potencialmente inestables y la presencia de dientes de sierra con un área de influencia de uno a dos bancos. Al superponer los dominios estructurales definidos para el rajo con los resultados obtenidos se observa que existe una directa relación con la geometría de cara de  banco resultante. En el banco 1745 se observan medias cañas cortadas por la reactivación de estructuras con un dip/dipdir   paralelo a la orientación del talud. También se reconocen bloques controlados por las anteriores, estructuras subparalelas y fallas de orientación ± N-S que controlan la geometría de banco resultante en bancos superiores (1790 hacia arriba) no permitiendo la presencia de medias cañas. Hacia el sector Este es característica la presencia de dientes de sierra asociado a los dominios estructurales 1 y 2. Por su parte, en la fase VII inferior, sin precorte, los resultados en sectores con estructuras subparalelas al talud producen frentes irregulares (Dominio 8) y la formación de bancos triples (Dominios 4 y 11). En las fases V y VI, aunque no existen precortes, también se observa como la orientación estructural controla la geometría y estabilidad de la cara de banco resultante. En la fase VI los dominios 6 y 7 potencian la formación de cuñas a nivel de banco, grietas de tensión y bloques potencialmente inestables, mientras que en fase V domina la presencia de bloques colgados. Por lo general zonas de intenso fracturamiento, asociadas a una fuerte alteración y leyes elevadas,  poseen una menor resistencia, las cuales, sometidas a voladuras se caracterizan por la utilización de FC bajos y mallas de perforación de mayor dimensión para alcanzar un D80  requerido. Característico de ésto son las zonas de brecha y pórfido con elevado fracturamiento. En las fases V y VII inferior, sin  precorte, se observa como una elevada FF (considerese FF como frecuencia de fractura por m) resulta en geometrías de banco irregulares sin alcanzar el diseño y con daño evidente inducido en los taludes. Por su parte, en fase VII superior en zonas puntuales de fallas la presencia elevada de FF condiciona la ausencia de medias cañas y un fracturamiento inducido. La condición de las discontinuidades como el tipo y espesor del relleno controlan la geometría de cara de banco resultante en sectores con FF ± uniformes, tal es el caso de la fase VII superior Este en donde los rellenos hematíticos en una zona de baja FF controlan la presencia de dientes de sierra. La calidad geotécnica del macizo condiciona los resultados de voladura, tanto en fragmentación como en estabilidad. Zonas de baja calidad geotécnica por lo general son más fáciles de tronar y  potencialmente se asocian a zonas de mayor inestabilidad, mientras que zonas de buena calidad  presentan comportamiento totalmente contrarios a los descritos. Al superponer la clasificación GSI, definida para el rajo, frente a los resultados obtenidos en tronadura se observa una directa relación entre calidad geotécnica-resultados. Lógicamente la calidad geotécnica del macizo se asocia con todos los factores discutidos anteriormente, por lo cual, no puede ser considerada independientemente, pero sí como un sistema de evaluación fácil de correlacionar con el resto de la información. Para la evaluación de voladuras se estableció una serie de parámetros que considera los principales aspectos cuantificables en Lomas Bayas y que permiten tener un control continuo sobre la extracción. Estos parámetros son: 1) Fragmentación considerando el D80  del material tronado. Este dato se obtiene del análisis de fragmentación mediante  powersieveTM  a través de la curva de fragmentación característica. Considera varias mediciones a medida que avanza la extracción. 2) Rendimiento efectivo de la Pala en t/hr efectiva . Obtenido a través de dispatch. 3) Presencia de sobretamaños en  porcentaje (%). Obtenido mediante  powersieveTM . Considera varias mediciones a medida que avanza la extracción. 3) Presencia de finos en pulgadas. Determinado a través de la curva de fragmentación característica para cada voladura y calibrado de acuerdo a tamizaje por medio de mallas Tyler. 4) Factor de carga en g/t. Obtenido de la hoja de carga. 5) Cantidad de medias cañas en porcentaje de área*. Se determinan mediante técnicas fotográficas. 6) Sobrequiebre en m* . 7) Cantidad de patas  presentes por cada 50m*. *

 Sólo para tronaduras de contorno con  p-split  y en banco rematado.

La evaluación considera un sistema de rating mediante el cual cada parámetro cuantificable se asocia una nota en una tabla de evaluación.

Tabla.4 Rating de evaluación obtenido para voladuras en Lomas Bayas.

Como puede observarse en la Tabla.4 los parámetros de entrada generan un rating . Para obtener la evaluación final de la tronadura se define un polinomio ponderador de la forma: EF 8 ƒ (FFRAGMENTACION , FOPERACION, FESTABILIDAD ) Voladuras de producción:

 E  F  =  X × (α P 80 + β S % BOLONES  + χ F % FINOS  + δ FC  D ) + Y × (ε R EFECTIVO + ϕ A EXTRACCION )  

(1)

EF = evaluación final, P 80=D80 , S%BOLONES=% de sobretamaños , F %FINOS= % de finos, FC D= factor de carga directo, REFECTIVO=rendimiento equipos, A EXTRACCION=ataque equipo de extracción.  X , Y , α , β , χ , δ , ε , γ  = ctes .

Voladuras de contorno:  E  F  =  X  × (α P 80

+

β S % BO LO NE S  + χ F % FI NOS  + δ FC  D ) + Y × (ε R EF EC TI VO + ϕ A EX TR AC CI ON ) +

 Z × (γ  L PR OG RA MA+ ηC  AS HB Y  + κ S SOBREQUIEB  RE ) LPROGRAMA=cumplimiento línea de programa, sobrequiebre inducido. γ ,η , κ  = ctes.

C ASHBY=clasificación

de

 

(2)

Ashby,

S SOBREQUIEBRE=

4 CONCLUSIONES El presente estudio demuestra las heterogeneidades espaciales del yacimiento Lomas Bayas frente a voladura, los factores que controlan el proceso son la composición mineralógica y variaciones texturales dentro de las distintas unidades litológicas, alteración hidrotermal, orientación de estructuras geológicas, frecuencias de fracturas, condición de las discontinuidades (Espesor, relleno, rugosidad, etc) y calidad geotécnica del macizo (Clasificación GSI y Ashby). Por otro lado, el nuevo sistema de evaluación que se propone permite a CMXLB un control continuo de los resultados sobre fragmentación, operación, conminución y estabilidad de taludes. Posibilidad de comparación y mejora en los procesos aguas abajo. Adecuada generación de información geológica, geotécnica y geomecánica a escala de mallas de voladura. Cumplimiento en los diseños de fase y aseguramiento de la estabilidad global y posibilidad de miras hacia la optimización de ángulos de talud (global e interrampas) en sectores con factores de seguridad conservadores. REFERENCIAS Bohloli, B. & Hoven, E. 2007. A laboratory and full-scale study on the fragmentation behavior of rocks. Engineerig Geology. 89:1-8. Chakraborty, A.K., Raina, A.K., Ramulu, M., Choudhury, P.B., Haldar, A., Sahu, & Bandopadhyay, C. 2004. Parametric study to develop guidelines for blast fragmentation improvement in jointed and massive formations. Engineerig Geology. 73:105-106. Chakraborty, A.K., Jethwa, J.L., Dhar, B.B. 1997. Predicting powder factor in mixed-face condition:development of a correlation based on investigations in a tunnel trough basaltic flow,  Engineerig Geology.47:31-41. CMXLB. 2006. Reserve and Resources Minera Lomas Bayas 2006. Informe interno, Inédito. García, P. & López, C. 1999. Voladuras más eficientes a través de un correcto diseño y control. Rocas  y Minerales. 331: 60-77. Hamdie, E. & Mouza, J. 2005. A methodology for rock mass characterisation and classification to improve blast result. International Journal of Rock Mechanics and Mining and Sciences. 42: 177-194. Hamdie, E., Mouza, J., Le Cleac, H. 2006. Micro-fragmentation energy evaluation in rock blasting. In  Fragblast 8. 5:232-239. Hoseinie, S.H., Pourrahimian, Y., Fardin, N., Aghabababei, H. 2006. Determination of Blast Index (BI) to predict the fragmentation and blasting efficiency of Sungun copper mine using Rock Mass Index (RMi). In Fragblast 8. 6: 321-325. Hustrulid,W.1999. Blasting Principles for Open Pit Mining, Vol.1 A.A.Balkena, 383 pp. Rotterdam. Innaurato, N., Mancini, R. & Cardu, M. 1998. On the Influence of Rock Mass Quality of Blasting Work in Tunnel Driving. Tunnelling and Underground Space Technology. 13 (1): 81-89. Latham,J.P & Lu, P. 1999. Development of an assessment system for the blastability of rock masses.  International Journal of Rocks Mechanics and Mining Science. 36: 41-55. Michaux, S. & Djordjevic , N. 2005.Influence of explosive energy on the strength of rock fragments and SAG mill throughput. Minerals Engineering . 18: 439-448.

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