Impactando el Valor de nuevos proyectos desde la Perforación y Voladura (P&V) Francisco Mardones, Carlos Scherpenisse GeoBlast S.A.
RESUMEN: Las cada vez más exigentes condiciones en que se desarrollan los nuevos proyectos mineros obligan a aumentar la certeza en relación a aquellos procesos claves para el negocio global, dentro de los cuales la Perforación & Voladura juega un rol fundamental; tanto a nivel inversional como sobre los costos de operación (definición del tamaño de flotas de perforadoras, productividades en carguío y transporte, demandas en conminución, capacidades de tratamiento, estabilidad de taludes). Por este motivo, existe una necesidad creciente por disponer de evaluaciones más acabadas, en función de información específica y no de de un simple ejercicio de benchmarking entre operaciones. Con ello, surge el interés por mejores modelos predictivos y criterios de aceptabilidad más precisos, que permitan abordar la problemática de manera integral. El presente trabajo ilustra lo anterior mediante estudios de casos recientes donde queda en evidencia la importancia de dimensionar los requerimientos desde las etapas más tempranas de los proyectos.
1.- INTRODUCCION La importancia de la P&V no radica solamente en las consecuencias que la fragmentación ROM tiene aguas abajo sobre las etapas posteriores de conminución (cuando éstas existen), puesto que sus implicancias incluyen también aspectos como la dilución por voladura, el daño en el macizo rocoso remanente, el impacto ambiental (vibraciones, polvo, ruido y proyecciones de roca) y la seguridad y productividad en el manejo de materiales (carguío y transporte). Sin embargo, dado el impacto directo sobre el negocio que tiene la distribución granulométrica del material tronado, es que la evaluación de los diseños de P&V para un proyecto nuevo debe focalizarse principalmente en su fragmentación esperada. Como objetivo principal se persigue incrementar el grado de certidumbre sobre los costos de las operaciones unitarias involucradas. Para ello es necesario especificar, en lo esencial, esencial, los diseños y parámetros operacionales asociados. A partir de estos se proyectan costos directos de operación; función de la perforación específica, el consumo de explosivos, etc. En relación a las decisiones inversionales (tipo y tamaño de la flota de perforadoras), cuando éstas son canalizadas de manera independiente constituyen datos de entrada para la evaluación de P&V, cuyo aporte a ese respecto se centra entonces en una mejor estimación para el desempeño y costo de la perforación; en orden a acotar el costo global. Por último, dada la mayor conciencia que existe sobre la importancia del control de daño en la sustentabilidad del negocio minero, la tendencia actual de la Industria exige hacer extensivos los alcances por igual a Voladuras de Producción (VP) y de Contorno (VC). Con ello, los diseños de P&V resultantes deben hacerse cargo del
impacto que tienen sobre el cumplimiento de los ángulos que el diseño minero impone, así como sobre la estabilidad general de taludes y el Plan Minero (antagonismo entre fragmentación y daño).
2.- CRITERIOS DE ACEPTABILIDAD En cuanto a los criterios de aceptabilidad, estos se diferencian para el Mineral y el Estéril, producto del destino final de los materiales. En el caso del Mineral, la bondad de la fragmentación ROM se juzga en relación a la granulometría óptima para la operación del circuito de conminución, en atención a satisfacer las capacidades de tratamiento o a maximizar la recuperación metalúrgica desde pilas de lixiviación ROM, según corresponda; de acuerdo a las especificaciones proporcionadas por cada proyecto en particular. Dado el impacto que tiene la fragmentación ROM del Estéril sobre el carguío y transporte (dependiendo de la razón E/M), los diseños de P&V deben responder también a una condición de “Estéril Productivo”, esto es, que su granulometría permita una alta excavabilidad (Brunton et al 2003 [1], Singh et al 2005 [2]), así como al mismo tiempo conferirle seguridad a la operación (incidentes originados en sobretamaños). En ocasiones, producto de definiciones previas en relación a los diámetros de perforación y su asignación preliminar a los distintos materiales y tipos de voladura (VP vs. VC), no todos los parámetros que condicionan la fragmentación ROM constituyen grados de libertad para la generación de los diseños de P&V. Ello restringe el universo de opciones para la evaluación pero introduce la complejidad adicional de intentar compensar los grados de libertad perdidos mediante otras técnicas o estrategias de diseño. Sin embargo, no debe perderse de vista la conveniencia, tanto para la planificación como para la operación, que se deriva de la estandarización de diámetros (y consecuentemente de geometrías de perforación). Los diseños deben generarse bajo un criterio de aceptabilidad de “baja dispersión”, puesto que todos los materiales deben ser eficientemente cargados y transportados; en beneficio del cumplimiento de los programas de extracción (productividad de los equipos Mina) y de los costos de mantenimiento asociados (aceros de desgaste, etc.). Conciliar todos los aspectos antes mencionados configura en definitiva un problema multivariable y como tal amerita una metodología de solución sistemática que garantice satisfacer los t a r g e t s impuestos con el menor costo global en P&V.
3.- EVALUACION DE LA PERFORACION A pesar que la altura geográfica constituye una condición con la cual la mayoría de las faenas mineras situadas en la cordillera de los Andes deben lidiar, normalmente
el impacto que esta variable introduce sobre la perforación no es incorporado explícitamente durante la etapa de evaluación de futuros proyectos. Los esfuerzos suelen concentrarse en la perforación específica (ton/m), la Velocidad de Penetración (Ra t e o f P e n e t r a t i o n , ROP) y los índices operacionales; parámetros que en conjunto con el Plan Minero permiten determinar todas las demás variables de interés: metros a perforar, horas de operación, tamaño de flotas, consumo de aceros, costos de operación asociados, etc.. Sin embargo, en ese proceso se adoptan supuestos que no necesariamente resultarán válidos para todos los escenarios donde la perforación tendrá lugar (entornos de trabajo y configuraciones posibles). La práctica de realizar benchmarking entre operaciones que enfrentan condiciones equivalentes de operación supone algún grado de cobertura ante ello. No obstante, esta aproximación no entrega suficientes garantías cuando las características particulares de un proyecto obligan a optimizar todas las variables de interés para el negocio minero, en beneficio de aumentar la certidumbre sobre su viabilidad bajo diversas condiciones de operación. Producto de lo anterior y en orden a contribuir al proceso de toma de decisiones y en definitiva, agregar valor al negocio global, deben incluirse evaluaciones específicas para la perforación. En general, los análisis se orientan fundamentalmente a generar condiciones compatibles con una estrategia de maximización de ROP (impacto sobre el costo de inversión del proyecto), para lo cual deben revisarse aspectos tales como la eficiencia de la perforación en función de la altura geográfica (Workman 2007 [3]). Dada la íntima relación que existe entre los parámetros que condicionan la perforación, las consecuencias se extienden también a otros aspectos con incidencia sobre el negocio, dentro de los cuales cabe destacar la vida útil de los aceros de perforación y la posibilidad de prescindir de insumos adicionales para garantizar la calidad del resultado de la voladura, tales como el uso de gravilla y/o retenedores de taco; en respuesta a un detritus con una granulometría inapropiada para un efectivo confinamiento del explosivo (impacto sobre los costos de operación).
4.- ESPECIFICACION DE DISEÑOS PERFORACION Y VOLADURA Como ya fue comentado, producto del impacto directo sobre el negocio que tiene la distribución granulométrica del material tronado, la evaluación de los diseños de P&V para un proyecto nuevo debe focalizarse principalmente en su fragmentación esperada. Sin embargo, la aproximación tradicional, al menos en lo que a estudios de prefactibilidad/factibilidad se refiere, consiste generalmente en especificar diseños de P&V teniendo como único referente al Factor de Carga (FC); para el cual además, suele adoptarse un valor común para Mineral y Estéril, sin distingo de tipos litológicos ni de destinos (chancado, pilas de lixiviación, botaderos), simplemente asumiendo que en la práctica se verificará el cumplimiento de los distintos requerimientos, tanto en la explotación minera como en las etapas de procesamiento posteriores.
Si bien el empleo del FC como descriptor de los requerimientos energéticos constituye una práctica generalizada en la Industria y además, permite una rápida asociación con niveles de costos, su utilización como único criterio de diseño resulta absolutamente sesgada. Ello a consecuencia que tiene limitaciones como indicador para reflejar las bondades de un diseño de voladura, puesto que no explica por sí solo la fragmentación resultante, al no dar cuenta de cómo se distribuye ni libera la energía (componente dinámica). Para estimar la fragmentación resultante de tronadura se precisa de modelos predictivos suficientemente confiables y validados, cuya aplicación, además, resulte costo efectiva para los propósitos que se persiguen. Ese tipo de modelos corresponden a los denominados empírico/mecanísticos y aún cuando no cuentan con la sofisticación de aquellos modelos basados en la física fundamental que permite explicar el fenómeno de la voladura (detónica, mecánica de fracturas, etc.) tales como el modelo HSBM (Hyb rid Stress Blasting M o d e l ), si permiten obtener resultados satisfactorios a un costo razonable. Los principales modelos en esta categoría están inspirados en el conocido modelo de Kuz-Ram (Cuningham 1983 [10], 1987 [11], 2005 [12]), el cual ha sido complementado y modificado por diferentes autores, tanto para corregir aspectos teóricos de su formulación (Spathis 2004 [13]), como para estimar de mejor forma la fracción fina. Dentro de estos últimos destacan los modelos conocidos como TCM (Djordjevic 1999 [14]) y CZM (Kanchibotla et al 1999 [15]), así como el trabajo realizado por Esen et al 2003 [16] y Onederra et al 2004 [17]. Todos los modelos empírico/mecanísticos antes referidos se encuentran publicados, pero su aplicación exitosa no se encuentra garantizada en ausencia del k n o w - h o w y buen criterio que resultan de la experiencia de uso con datos reales, donde haya sido posible validarlos y calibrarlos. De hecho, en ciertos aspectos algunos de estos modelos presentan contradicciones que aún no han sido resueltas, ante lo cual, su aplicación exige un acabado entendimiento de cada uno así como de las variables que gobiernan la tronadura. En caso contrario, las predicciones que entregan resultarán del todo sesgadas. Para la aplicación de estos modelos, además de la especificación de los diseños de P&V, es preciso definir también el medio donde la voladura tiene lugar, esto es, caracterizar geotécnicamente el macizo rocoso. En el caso de los proyectos nuevos esta caracterización resulta de mayor complejidad, puesto que el nivel de información existente, a nivel de prefactibilidad/factibilidad, es reducido para fines de tronadura, tal como ilustra la Figura 3 (Scott et al 2006 [18]). En la práctica solamente se dispone de información contenida en las bases de datos de sondajes y ensayos geotécnicos (realizados ya sea a partir de muestras obtenidas de los mismos sondajes y/o en colpas extraídas desde túneles de exploración).
Geotechnical RQD Physical
Rock Strength
Structure
Discontinuities
Breakage
D yn am ic
Blasting
RMR
Q
GSI
Feasibility
Density Groundwater Stress
UCS PLS Field Index
Operations
Investigations
FF Spacing Orientation Persistence
Surface Roughness Alteration Fill Cohesion Friction Angle
Tensile Strength Fracture Toughness Comminution
P W av e Ve lo ci ty Young's Modulus Poisson's Ratio
Resumen de algunos parámetros geotécnicos y de voladura (Scott et al 2006).
Por otra parte, dados los objetivos de la evaluación de P&V que se pretende, no es suficiente conocer valores promedio para los parámetros geotécnicos requeridos por los modelos predictivos de fragmentación. Esto obliga a revisar exhaustivamente la información disponible, con el propósito de obtener idealmente distribuciones de probabilidad para las variables de interés y de esa forma, poder diseñar para valores representativos; cuya ocurrencia efectivamente se verificará en la práctica y no para valores promedio que no tienen correspondencia en el macizo rocoso. Naturalmente, la validez de los valores utilizados quedará supeditada a la representatividad de los sondajes en relación al yacimiento (ubicación y densidad de sondajes). El desafío que supone caracterizar el macizo rocoso, solamente a partir de la información geotécnica existente en la etapa de prefactibilidad/factibilidad de un nuevo proyecto minero, obliga a aprovechar de la mejor forma posible los antecedentes conocidos. A consecuencia de ello, surge la necesidad de disponer de formas que permitan estimar los parámetros requeridos para el modelamiento de la fragmentación. Entre estas referencias, provenientes de ámbitos distintos al de la tronadura, resultan fundamentales los desarrollos de Thuro et al 2001 [19], Bickers et al 2001 [20] y Palmström 1982 [21], 1995 [22], 2001 [23]. En relación a los diseños de P&V propiamente tales, cabe mencionar que aún cuando no todas las variables de diseño constituyan grados de libertad, puesto que por ejemplo, la altura de banco y eventualmente el diámetro de perforación han sido previamente definidos en función de otras consideraciones, satisfacer una determinada fragmentación objetivo conlleva múltiples soluciones. Esto es, existen distintos diseños capaces de reproducir una granulometría, especialmente cuando los requerimientos impuestos por el proyecto minero hacen referencia solamente a determinados rangos de tamaños, como por ejemplo, al porcentaje pasante acumulado bajo 1¼ , con lo cual, la fragmentación ROM objetivo resulta ′′
discretizada (totalidad de la distribución granulométrica descrita a partir de un número limitado de puntos sobre los cuales la evaluación metalúrgica centra su atención, dependiendo del tipo de procesamiento posterior). Por lo anterior, la selección y recomendación de un diseño en particular en desmedro de alternativas equivalentes en cuanto a fragmentación debe soportarse en un análisis integral, en atención no solamente al costo global de P&V, sino que también a aspectos operacionales (calidad de implementación) y al impacto sobre las demás variables de interés para el negocio (dilución por tronadura, daño en el macizo rocoso remanente, impacto ambiental en comunidades cercanas producto de vibraciones y/o ruido); dadas las características específicas de cada proyecto en particular (tipo y forma de la mineralización, diseño minero, ubicación geográfica, etc.). Así, por ejemplo, los criterios de aceptabilidad para Mineral y Estéril podrían satisfacerse de distinta forma, dependiendo del tipo de voladura, esto es, en el caso de VC en Mineral eventualmente una fragmentación más gruesa pudiera ser preferible en beneficio del control de daño, lo que a su vez conlleva la necesidad que la fragmentación compilada, período a período del Plan Minero, cumpla con los requerimientos exigidos al perfil granulométrico promedio de alimentación a Planta; resultante de los tipos litológicos presentes en el tiempo (mezcla entre distintos minerales) y de la relación entre el tonelaje proveniente de TP y TC, función de los anchos de las fases y de la forma en que se verifica la mineralización en el yacimiento. Por último, en una etapa de prefactibilidad/factibilidad de un proyecto minero no es posible realizar pruebas de campo y a consecuencia de ello tampoco es factible calibrar los modelos predictivos usados para la estimación de la fragmentación ROM esperada. Lo anterior, en conjunto con la cantidad y calidad de los antecedentes disponibles (sondajes y ensayos geotécnicos) motiva llevar a cabo pruebas industriales que permitan validar los diseños propuestos, tan pronto como los proyectos entran en operación, de manera de introducir los ajustes necesarios para asegurar el resultado.
5.- REFLEXIONES FINALES Y CONCLUSIONES Los resultados de este tipo de evaluación son producto de la aplicación sistemática de modelos predictivos suficientemente validados, referencias técnicas específicas y criterios de evaluación económica modernos que superan un enfoque puramente centrado en el costo directo. Sin embargo, constituyen solamente un respaldo técnico para la evaluación de nuevos proyectos puesto que, en definitiva, la selección de una u otra combinación p e r fo r a c ió n -v o l a d u ra - fra g m e n t a c ió n - r e n d i m i e n t o dependerá también de criterios que escapan a lo estrictamente técnico y que involucran decisiones de negocio (inversión vs. costo operacional, ritmo de explotación, vida útil del proyecto, etc.). La caracterización del macizo rocoso tiene un tremendo impacto sobre todo el modelamiento posterior, puesto que condiciona los resultados de las predicciones. Por ello, el aspecto clave del modelamiento de la fragmentación ROM no reside solamente en la complejidad intrínseca a los modelos sino en la necesidad de realizar una asignación representativa de las propiedades geotécnicas de interés,
para lo cual es fundamental acceder a la mejor información disponible, idealmente a nivel de datos fuente (no promedios de valores). Lo mismo aplica para los modelos que permiten estimar el desempeño de la perforación. Aún cuando teóricamente es posible disminuir la perforación específica (↑ ton/m), al punto de compensar perfectamente un mayor costo en voladura con un menor costo en perforación (costo P&V = constante), en la práctica no es factible llevar a cabo este intercambio ilimitadamente sin desmejorar la fragmentación (incumplimiento de los finos requeridos y aumento de la fracción gruesa), producto de cómo los distintos parámetros que especifican un diseño condicionan la forma en que se distribuye la energía al macizo rocoso (mayor Factor de Carga no implica necesariamente mejor granulometría). La variable distribución de energía es relevante y aún cuando los modelos predictivos la incorporan de alguna manera, éstos en su mayoría extrapolan la fragmentación resultante de un pozo individual a la totalidad del volumen tronado, sin considerar completamente la fragmentación que se verifica “entre” pozos o en las condiciones de borde. Dentro de estas últimas destacan las situaciones asociadas a la periferia de los disparos (presencia de caras libres, límites con material tronado, límites con material no tronado, granulometrías asociadas a la utilización de filas b u f f e r) y a las zonas de contacto entre distintos tipos de voladura; cuando por razones operacionales estas se realizan concurrentemente, lo que por cierto incluye el potencialmente excesivo confinamiento en voladuras de gran tamaño. Independientemente se trate de Mineral o Estéril, siempre interesa cumplir con el diseño minero (logro de la configuración banco-berma). Esto motiva prestar atención por igual a todos los materiales en lo que a control de daño se refiere. Con el actual estado del arte, el k n o w - h o w especializado y experiencia suficiente es posible agregar valor al negocio minero, desde la etapa en que los proyectos se encuentran en su fase de prefactibilidad o factibilidad, lo que constituye una tremenda oportunidad que no puede desaprovecharse, tal como lo han internalizado la mayoría de los proyectos recientes.
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