MIN412 Perforación y Tronadura MIN412 Escuela Ingeniería en Minas
Tema 1 Introducción
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Contenidos
1. Introducción Introducción 2. Explotación de minas 3. Infraestructuras básicas 4. Métodos de explotación explotación 4.1 Minería a Cielo abierto 4.2 Minería Subterránea •
Soportado por pilares
•
Artificialmente soportado
•
Sin soporte o hundimiento
4.3 Criterios de selección 2
Introducción El contenido de este curso se referirá a los conceptos teóricos como asimismo a los conocimientos prácticos que conforman el marco tecnológico de la operación de arranque de minerales y/o excavación de rocas. Esta operación básica es la que inicia el proceso productivo en una faena minera, proceso que un sentido amplio se le denomina Explotación de Minas.
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1. Introducción Definiciones básicas Mineral : •
•
Sustancia inorgánica de ocurrencia natural en la corteza terrestre. Posee un conjunto distintivo o característico de propiedades físicas, y una composición que puede ser expresada por una fórmula química.
Roca: •
•
Son combinaciones variables entre diferentes minerales. De las minas por lo general se extraen rocas, sólo en casos excepcionales se extraen elementos químicos o minerales en estado puro u original. 4
1. Introducción Definiciones básicas Yacimiento minero: •
•
•
Desde el punto de vista geológico: cualquier concentración anómala de un cierto elemento químico o de un mineral en una zona restringida de la corteza terrestre. Desde el punto de vista minero: depósito o cuerpo rocoso que contiene uno o más minerales que pueden ser extraídos con beneficio económico. Tipos de yacimientos según la naturaleza del producto final: o
Yacimientos metálicos: cobre, hierro, plata, molibdeno, etc.
o
Yacimientos no-metálicos: sales, calizas, sílice o cuarzo, yeso, etc.
o
Yacimientos de combustibles fósiles: carbón, esquistos bituminosos, petróleo,
gas natrual.
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1. Introducción Definiciones básicas Mina: •
•
Es el lugar físico de la faena organizada que permite la extracción de un cierto mineral. Por lo tanto se trata del conjunto de excavaciones emplazadas en la corteza terrestre con el propósitos de extraer minerales. Estas excavaciones pueden ser superficiales o subterráneas.
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2. Explotación de minas Explotación de minas •
•
Se define como el conjunto de actividades, operaciones o trabajos que es necesario realizar para extraer los minerales desde su ambiente natural y transportarlos hasta las instalaciones de procesamiento. Entonces la explotación de Minas consiste en la ejecución secuencial de dos operaciones básicas o elementales: 1.
Arranque
2.
Movimiento o Manejo de Minerales
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2. Explotación de minas Explotación de minas Arranque •
•
Se denomina arranque al proceso de separar o arrancar físicamente el mineral de la corteza terrestre Se identifican dos sub-operaciones: Perforación y Tronadura
Movimiento o manejo de minerales •
El movimiento o manejo de minerales implica a su vez la ejecución combinada, en diversas instancias, de las dos suboperaciones Carguío y Transporte.
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2. Explotación de minas Definiciones básicas •
•
•
Operaciones unitarias: son las actividades básicas que se usan para extraer mineral desde un depósito. Operaciones de producción: actividades que van directamente a la extracción del mineral y que forman parte del ciclo productivo. Operaciones auxiliares: son las operaciones que apoyan el desarrollo del ciclo productivo.
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2. Explotación de minas Operaciones unitarias Fragmentación de roca
Manejo de materiales
Perforación
Carguío
Tronadura
Transporte 10
2. Explotación de minas
Perforación
Transporte
Ciclo productivo
Tronadura
Carguío
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3. Infraestructuras Infraestructura básica Se trata de labores y/o instalaciones que prestan servicios a la mina o a varios sectores productivos conjuntamente. Se mantienen disponibles durante todo o gran parte del horizonte productivo del yacimiento. •
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Túneles de acceso del personal y/o transporte de minerales Piques de acceso del personal y/o extracción de minerales Ramplas de acceso del personal y/o transporte de minerales Túneles y/o piques principales de ventilación Cámaras o estaciones de chancado subterráneo Piques principales de traspaso de mineral Cámaras o estaciones de aire comprimido Cámaras o talleres de mantención mecánica Estaciones de bombeo (drenaje) Polvorines, oficinas, comedores, posta de primeros auxilios u otros
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3. Infraestructuras Labores de desarrollo Se trata de labores asociadas a la explotación de sectores específicos del yacimiento y que luego se abandonas una vez extraídos el mineral. •
Galería y ramplas de accesos a los cuerpos mineralizados
•
Galerías o subniveles de perforación
•
Embudos y zanjas recolectoras de mineral
•
Piques de traspaso de minerales
•
Galerías y chimeneas de ventilación
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3. Infraestructuras Instalaciones menores •
Puntos de extracción
•
Parrillas de control de tamaño
•
Cámaras de reducción de tamaño
•
Buzones de carguío
•
Subestaciones eléctricas
•
Vías férreas
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3. Infraestructuras básicas
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4. Métodos de explotación
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Introducción Método de explotación •
Definición: es la estrategia global que permite la excavación y extracción de un cuerpo mineralizado del modo técnico y económico más eficiente. o
o
•
Define los principios generales según los que se ejecutan las operaciones unitarias. Define criterios con respecto al tratamiento de las cavidades que deja la extracción.
Clasificación: o
Cielo abierto: Explotación realizada siempre expuesta a la superficie
o
Subterránea: Explotación desarrollada a través de labores subterráneas.
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Introducción Métodos de explotación de superficie •
Cielo abierto, rajo abierto o tajo abierto (llamado Open Pit en inglés):
Es el método que más se ve en Chile, particularmente en la explotación de yacimientos de metales básicos y preciosos. •
Cantera (llamado Quarry en inglés):
Este nombre se da a la explotación de mineral que puede utilizarse directamente en aplicaciones industriales, como es el caso de la sílice, caliza y piedra de construcción. •
Lavaderos o placeres:
Corresponde a la explotación de depósitos de arena en antiguos lechos de ríos o playas, con el fin de recuperar oro, piedras preciosas u otros elementos químicos valiosos. •
Otros. o
o
Disolución: mediante la incorporación de un solvente y posterior extracción del soluto de la solución recuperada. (extracción de azufre y sales) Minería costa afuera, para la extracción de nódulos de manganeso presentes en el fondo del océano
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Introducción Métodos de explotación subterráneo
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4.1 Minería a cielo abierto
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Minería a cielo abierto Generalidades •
Este método es aplicado a yacimientos de baja ley y superficiales
•
Ritmo de producción mayor 20,000 tpd.
•
•
Moderadamente selectivo ya que posee la facilidad de vaciar el estéril en botaderos Desafíos en el diseño o
Manejo de la razón estéril/mineral y su evolución en el tiempo
o
Ubicación de las rampas de acceso y producción
o
Diseño de las flotas de equipos
o
Estabilidad de las paredes del rajo
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Minería a cielo abierto Mina Chuquicamata •
•
•
Mina de cobre y oro Ubicada a 15 km al norte de Calama, y a 245 km de Antofagasta en la Región de Antofagasta, Chile. Considerada la más grande del mundo en su tipo y es la mayor en producción de cobre de Chile.
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Minería a cielo abierto Mina de cobre Kennecott •
Mina de cobre
•
Ubicada en Utah, Estados Unidos
•
Segunda mina de cielo abierto más profunda del mundo
Deslizamiento en abril del 2013 23
Minería a cielo abierto Mina Grasberg •
•
Es la mayor mina de oro y la tercera mina de cobre más grande del mundo. Se encuentra ubicada en la provincia de Papúa en Indonesia.
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Minería a cielo abierto Mina Yanacocha •
•
Considerada la mayor mina aurífera de Sudamérica y la segunda más grande a nivel mundial. Ubicada en Cajamarca, Perú.
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Minería a cielo abierto Consideraciones importantes •
•
•
Factores que tienden al desarrollo de minería de superficie: o
Aumento en producciones
o
Baja en ley
o
Aumento en productividad de mano de obra
Mejor que minería subterránea en los siguientes aspectos: o
Recuperación
o
Control de leyes (selectividad)
o
Flexibilidad de operación
o
Seguridad
o
Condiciones de trabajo
El desempeño desde un punto de vista económico depende de: o
Elección de razón estéril mineral
o
Tasas de producción
o
Equipos 26
Minería a cielo abierto Parámetros que definen la geometría de un talud minero
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Minería a cielo abierto
•
•
•
En Chile aproximadamente el 80% de la producción de cobre proviene de faenas a rajo abierto. A pesar de ello, aún existen cuerpos pequeños, irregulares y profundos que sólo pueden ser extraídos por métodos subterráneos. En otros casos, es necesario pasar a mina subterránea o abandonar los recursos cuando la cantidad de estéril que hay que remover para seguir extrayendo el mineral se torna prohibitiva desde un punto económico.
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4.2 Minería subterránea
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Minería subterránea Minería subterránea Generalidades •
•
•
•
Utilizado para yacimientos de mediana y alta ley
Ritmos de producción 500-50000 tpd Más selectivo que el método de cielo abierto excepto por los métodos por hundimiento
Problemas de diseño: o
Geometría de la mina subterránea
o
Estabilidad y soporte
o
Ubicación de los accesos
o
Logística para el transporte y movimiento de mineral subterráneo
Minería subterránea Componentes de una mina subterránea •
•
•
•
Acceso horizontal (adit, Drift): Excavación horizontal de acceso a la mina Piques (shafts): Excavación vertical de acceso a la mina Chimenea (Ore passes): Excavaciones subverticales dedicadas al traspaso de mineral, personas y en algunas ocasiones utilizadas como cara libre Rampas (Declines or ramps): Son excavaciones horizontales orientadas en
espiral con el propósito de conectar dos niveles o acceder a la mina •
Caserones (Stopes): Corresponden a unidades básicas de explotación de las cuales se extrae mineral. En algunos casos estos caserones son rellenados con material estéril.
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Minería subterránea Mina el Teniente •
•
•
Mina de cobre Ubicada en Chile, en la comuna de Machalí, a 50 kilómetros al este de la ciudad de Rancagua y a 2.300 msnm. El Teniente se compone de más de 3.000 km de galerías subterráneas, por lo que se considera la mina subterránea de cobre más grande del mundo.
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Minería subterránea Mina Olympic Dam •
Mina de oro, plata, cobre y uranio
•
Ubicada al Sur de Astralia
•
Explotado por Sublevel Stoping
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Minería subterránea Mina Northparkes •
Pórfido de cobre y oro
•
Ubicada en Australia
•
Explotado por Block caving
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Minería subterránea Consideraciones importantes •
•
•
Las excavaciones tienen distinta vida útil, es sólo un hoyo en la tierra. La infraestructura se encuentra en roca huésped, los desarrollos se realizan en roca huésped o roca mineralizada. Producción implica extraer roca mineralizada. o o
•
Los tipos se distinguen según el tratamiento que hagan de la cavidad que deja la extracción de mineral. Existen sólo 3 tipos de explotación: o o o
•
Pilares Contacto con roca huésped
Soportados por pilares (recuperación minera reducida) Artificialmente soportados o relleno (alto costo) Sin soporte o hundimiento: natural e inducido (alta incertidumbre)
Sin embargo, en la práctica, la explotación requiere variar y combinar los métodos, dado que los depósitos raramente se ajustan exactamente a las características ideales de aplicación de alguno de los métodos.
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Minería subterránea Métodos de explotación subterránea Métodos soportado por pilares •
Dejan vacía la cavidad que ocupaba el mineral.
•
Caserón estable en forma natural o escasos elementos de refuerzo.
•
Tipos: o
Room and Pillar
o
Sublevel Stoping
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Minería subterránea Métodos soportado por pilares Room and Pilar •
•
•
•
•
Cuerpos mineralizados mantiformes y de baja potencia. La calidad de la roca de caja y mineral deben ser competentes (2B) Se dejan pilares para mantener el techo y las paredes estables Se deben diseñar los pilares y los caserones para maximizar la recuperación de mineral Cuerpos mineralizados con potencias mayores a 10m y menores a 30m se explotan por sub-niveles desde el techo al piso.
•
Baja dilución menor a 5%
•
Recuperación baja menor a 75%
•
Costo de producción 10-20$/t
Cuerpos tabulares horizontales o sub-horizontales
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Minería subterránea Métodos soportado por pilares Room and Pilar
http://www.youtube.com/watch?v=goJEVazHsj4
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Minería subterránea
Post Room and Pilar Mining •
•
•
•
•
Variación del método de Room and Pilar Cuerpos con potencias mayores a 30 m e inclinados (menor a 20 grados) Comienza en la parte inferior del cuerpo mineralizado y se extiende en la vertical por sub-niveles Una vez realizada la perforación, tronadura, carguío y transporte del mineral se procede a rellenar el caserón típicamente con colas de relaves mezcladas con cemento. El relleno aumenta el confinamiento permitiendo diseñar con un menor factor de seguridad y por lo tanto maximizando la recuperación
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Minería subterránea Métodos soportado por pilares Longhole and Sublevel Open Stoping
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Minería subterránea Métodos soportado por pilares Longhole and Sublevel Open Stoping •
El cuerpo mineralizado es dividido en diferentes caserones separados por losas y muros
•
La productividad del caserón es proporcional a su tamaño
•
La estabilidad y dilución de un caserón es inversamente proporcional a su tamaño
•
La inclinación del cuerpo mineralizado debe exceder el ángulo de reposo del mineral
•
Roca de caja y mineral competente (2B)
•
Cuerpo mineralizado de paredes regulares
•
El método de longhole open stoping posee una mayor productividad pudiendo lograrse subniveles de perforación en el intervalo 60-100m con martillos ITH de 140 -165mm de diámetro
•
Longhole open stoping requiere una mayor regularidad que el sub level stoping
•
Baja dilución, menor a 8%
•
Baja recuperación menor a 75%
•
Costo 12-25 $/t
•
En algunos casos se deben rellenar los caserones luego de extraído el mineral 41
Minería subterránea Métodos soportado por pilares Longhole and Sublevel Open Stoping
http://www.youtube.com/watch?v=ov7vkfN8G34
42
Minería subterránea Métodos de explotación subterránea Artificialmente soportado con relleno •
Requieren elementos de soporte para mantenerse estables.
•
Se rellenan con algún material exógeno.
•
Tipo: o
Cut and Fill Stoping
o
Shrinkage Stoping
o
VCR Stoping
o
Bench and Fill Stoping
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Minería subterránea Métodos soportado artificialmente Cut and Fill Mining •
•
•
•
•
•
• •
• •
Cuerpos mineralizados con orientación vertical y potencias de 3 a 10 m La roca de caja es generalmente de baja competencia (4A) y la roca mineral de baja a media (3B). Se realiza por subniveles de manera ascendente Los caserones en explotación se pueden separar por muros y losas de modo de aumentar la estabilidad del sistema minero Rellenos: hidráulicos colas de relave, material estéril, ambos más cemento, etc. Método altamente selectivo, por lo tanto permite explotar cuerpos de baja regularidad y continuidad espacial Baja dilución menor a 2% Alta recuperación mayor a 90% Alto costo de producción 40-150 $/t Baja productividad 200 a 4500 tpd
Cuerpo tabular vertical o subvertical Cuerpos irregulares Principalmente metales preciosos 44
Minería subterránea Métodos soportado artificialmente Cut and Fill Mining
http://www.youtube.com/watch?v=BvhIvi96q0Q
45
Minería subterránea Métodos soportado artificialmente Shrinkage Stoping •
•
•
•
•
•
•
•
Vetas angostas (potencia menor a 10m) La roca de caja es de baja competencia (4B) y la mineral de mediana a alta (3B) Se remueve solamente el esponjamiento(40% del volumen) de la roca tronada el resto se mantiene almacenado para mantener las paredes estables y proveer de piso al sistema de perforación Infraestructura de producción es requerida. Productividad menor a 4500 tpd Alta dilución 30% Mediana recuperación 85% Costoso y riesgoso Cuerpo tabular vertical o subvertical de poca potencia 46
Minería subterránea Métodos soportado artificialmente Vertical Crater Retreat con Relleno VCR Caserón Primario
VCR Caserón Secundario
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Minería subterr subterránea ánea Métodos soportado artificialmente Vertical Crater Retreat con Relleno •
•
•
•
Se utiliza en cuerpos mineralizados de baja a mediana potencia y en rocas de mediana competencia Se utiliza la técnica de cargas controladas en que el largo de la carga explosiva es menor a 6 veces el diámetro de perforación. Carga esférica Este sistema de explotación requiere la construcción de estocadas y puntos de extracción La secuencia de construcción es la siguiente o o o o o
•
•
•
•
Nivel de transporte Arreglo de galerías de producción Corte basal Nivel de perforación Perforación de tiros largos menor a 40 m en caso VCR
Los disparos generan cortes de hasta 3m Costo 15-45 $/t dependiendo si se rellena o no Dilución 10% Recuperación menor a 80%
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Minería subterr subterránea ánea Métodos soportado artificialmente Bench and Fill Stoping •
•
Alternativo a VCR Utilizado en cuerpos de menor competencia mayor continuidad en la corrida
Drilling Equipment
Truck backfills after most ore is mucked Retreating Blasted Ore
Ore
Backfill
LHD Equipment Floor can be of any type: Ore, backfill or sill (mat) pillar
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Minería subterr subterránea ánea Métodos de explotación subterránea Métodos de hundimient hundimiento o •
Las cavidades generadas por el mineral extraído son rellenas con el material superpuesto o o
•
•
Mineral mientras dura la explotación Estéril una vez finalizada
El hundimiento y consecuente relleno de las cavidades se produce simultáneamente a la extracción del mineral. Tipos: o o o
Longwall Mining Sublevel Caving Block / Panel Caving
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Minería subterránea Métodos de hundimiento Sublevel Caving •
•
•
•
•
•
•
•
Se utiliza en cuerpos mineralizados con orientación vertical y alta potencia mayor a 40m La roca de caja es de baja competencia y la roca mineral competente a mediana Se explota por subniveles donde se realizan en ciclo las operaciones unitarias de perforación, tronadura, carguío y transporte Consiste en hundir la roca de caja y la pared colgante. De esta manera el mineral queda en contacto con el estéril facilitando el acceso de LHDs a través de las galerías de producción Productividad 4000 a 20000 tpd Costo 7-12 $/t Dilución es alta hasta un 15% Recuperación 75%
Cuerpo tabular vertical o subvertical de gran espesor Cuerpos masivos 51
Minería subterránea Métodos de hundimiento Sublevel Caving
http://www.youtube.com/watch?v=AUK2AxVxx4 E&feature=c4overview&playnext=1&list=TLa_sTE_r3zdI
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Minería subterránea Métodos de hundimiento Block Caving •
•
• •
•
• • • •
Cuerpos masivos con una proyección en planta suficiente para inducir el hundimiento de la roca La roca mineralizada a hundir debe ser medianamente competente 3A-4A La roca estéril de techo debe ser hundible La roca de caja puede ser competente como en el caso de pipas diamantíferas Se induce el hundimiento de la roca a través del corte basal 4-12 m. El hundimiento se propaga en la medida que la roca es extraída del hundimiento utilizando la infraestructura de producción Productividad 12000 a 48000 tpd Dilución 20% Recuperación 75% Costo 2.1-5$/t
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Minería subterránea Métodos de hundimiento Block Caving
http://www.youtube.com/watch?v=e-TtETygGHg
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MIN412 Perforación y Tronadura Escuela Ingeniería en Minas
4.3 Criterios de Selección
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Criterios de Selección Características Espaciales •
•
La elección entre Rajo vs Subterránea afecta: o
Tasa de producción
o
Método de manejo de material
o
Diseño de la mina en el depósito.
Características: o
Tamaño (alto, ancho o espesor)
o
Forma (tabular, lenticular, masivo, irregular)
o
Disposición (inclinado, manteo)
o
Profundidad (media, extremos, razón de sobrecarga)
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Criterios de Selección Condiciones Geológicas e Hidrológicas Tanto de mineral como de roca de caja (o huésped) Afecta la decisión de usar métodos selectivos o no selectivos •
•
•
•
•
•
•
•
Requerimiento de drenaje, bombeo, tanto en rajo como en subterránea Mineralogía es importante para procesos Mineralogía y petrografía (óxidos vs. Sulfuros) Composición química Estructura del depósito (pliegues, fallas, discontinuidades, intrusiones) Planos de debilidad (grietas, fracturas, clivaje) Uniformidad, alteración, meteorización (zonas, límites) Aguas subterráneas e hidrología (ocurrencia, flujo, nivel freático)
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Criterios de Selección Consideraciones Geotécnicas Selección del método (soporte necesario) Hundibilidad
•
Propiedades elásticas
•
Comportamiento plástico o viscoelástico
•
Estado de los esfuerzos (originales, modificados por la excavación)
•
Consolidación, compactación, competencia
•
Otras propiedades físicas (gravedad específica, poros, porosidad, permeabilidad
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Criterios de Selección Consideraciones Económicas Determinan el éxito del proyecto Afectan inversión, flujos de caja, periodo de retorno, beneficio •
Reservas (tonelaje y ley)
•
Tasa de producción
•
Vida de la mina (desarrollo y explotación)
•
Productividad
•
Costo de mina de métodos posibles de aplicar
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Criterios de Selección Factores Tecnológicos Se busca la mejor combinación entre las condiciones naturales y el método •
Porcentaje de recuperación
•
Dilución
•
Flexibilidad a cambios en la interpretación o condiciones
•
Selectividad
•
Concentración o dispersión de frentes de trabajo
•
Capital, mano de obra, mecanización
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Criterios de Selección Factores Medioambientales No sólo físico, sino que también económico-político- social •
•
•
•
Control de excavaciones para mantener integridad de las mismas (seguridad) Subsidencia y efectos en superficie Control atmosférico (ventilación, control de calidad de aire, calor, humedad) Fuerza laboral (contratos, capacitación, salud y seguridad, calidad de vida, condiciones de comunidad)
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Criterios de Selección Conclusiones •
•
•
En consideración a estos factores, se debe tomar una decisión respecto a si explotar el cuerpo mineralizado mediante métodos de explotación de superficie o métodos de explotación subterráneos. Las características espaciales (geometría del cuerpo) y la competencia de la roca son esenciales dado que pueden determinar la conveniencia de utilizar un método por sobre otros. Sin embargo, puede haber casos en los que el depósito puede explotarse mediante métodos de superficie o subterráneos. En estos casos, es necesario tomar la decisión en función del beneficio económico que se generará en cada caso.
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