1 INTRODUCCIÓN A SUBTERRÁNEAS Prof. Víctor Encina M. Julio 2006 Postítulo de Certificación y Valoración de Activos Mineros Pontificia Universidad Católica de Valparaíso (Chile) + Queen’s University (Canadá) TEMAS Proceso Minero Presentación de Métodos Subterráneos • Autosoportados • Hundimiento • Temporalmente Soportados Selección de Métodos Subterráneos Fundamentos Científicos • Hundibilidad • Flujo Gravitacional • Acondicionamiento Tendencias Infraestructura de minas subterráneas
This document is posted to help you gain knowledge. Please leave a comment to let me know what you think about it! Share it to your friends and learn new things together.
Transcript
1
INTRODUCCIÓN A SUBTERRÁNEAS
Prof. Víctor Encina M.Julio 2006
Postítulo de Certificación y Valoración de Activos MinerosPontificia Universidad Católica de Valparaíso (Chile) + Queen’s University (Canadá)
TEMAS
Proceso MineroPresentación de Métodos Subterráneos• Autosoportados• Hundimiento• Temporalmente Soportados
Selección de Métodos SubterráneosFundamentos Científicos• Hundibilidad• Flujo Gravitacional• Acondicionamiento
TendenciasInfraestructura de minas subterráneas
2
EL PROCESO MINERO
La minería ocurre en “reactores perecibles”
EL PROCESO MINERO
ARRANQUE• FRACTURAR• FRAGMENTAR• EXTRAER
TRANSPORTE• TRASLADAR
BENEFICIO• SEPARAR
ARRANQUE
TRANSPORTE
$
PLANTA
MINA
SEPARAR
3
Arranque• Cambio de naturaleza del material• Transformar sólido in situ en pilas de
fragmentos de material sólido
Transporte• Cambio de coordenadas• Trasladar el material desde su ubicación
original a la Planta.
EL PROCESO MINA
ARRANQUE
MÉTODOS DE ARRANQUE• Tronadura• Hundimiento
MÉTODOS DE EXTRACCIÓN• Gravitacional• “Por Baldadas”
Arranque
macizo in situ
Cargar y extraer
material quebrado
4
TRANSPORTE
CONTINUO• Correas• Piques
(gravitacional)DISCONTINUO• FFCC• Camiones
Stock
intermedio
Principal
En Minería Subterránea• Los Procesos Mina se denominan: Métodos de
Explotación • Se definen caso a caso según las características
del recurso mineral y los objetivos del negocio
Las claves de proceso son:• Estabilidad de los recintos de trabajo• Estabilidad del emplazamiento post explotación• Recuperación, Selectividad y Dilución
2 Cavidades Artificialmente Soportados:2.1 CR Caserones Rellenos (BF)2.2 C&R Corte y Relleno (C&F)2.3 C&R+P Corte y Relleno con Postes (C&F+PP)
3 Cavidades Temporalmente Soportadas3.1 CR-M Caserones Rellenos de Mineral (Shrinkage)3.2 CHF Corte y Hundimiento Forzado (LW/SW)3.3 CHN Corte y Hundimiento Natural (LW/SW)
4 Cavidades No Soportadas (Hundidas)4.1 HSN Hundimiento por Sub-Niveles (SLC)4.2 HSB Hundimiento por Socavación Basal (BC/PC)
CLASIFICACIÓN DE MÉTODOS DE EXPLOTACIÓN
6
CASERONES VACÍOS
Sub Level Open StopingSLOS
CONCEPTO (Olimpic Dam Mine)
7
Campo de Aplicación
Techo y cajas auto soportadasDepósitos sub verticalesRoca Razonablemente Competente
Operación MecanizadaLHD
8
Planificación Caserones y Pilares
Variantes diseño caserones
Por geometría del yacimiento• Irregularidades• Distintos grados de dilución
Secuencia de explotación• En el caserón• En el sector de caserones
9
Caserón Simple
Caserón Doble
10
Ampliación Longitudinal
Ampliación Lateral
11
“Crown Pillar”
Collar
12
Orientación
Paralelo a Estructuras Principales• Dentro de pilares• Dentro del Caserón (Salvar la perforación)
Geometría Favorable• Recuperación• Estabilidad
Estabilidad General
Restricciones de Subsidencia• Pilares no recuperados• Pilares Artificiales (Caserones Rellenos)
Sin Restricción Subsidencia• Tronadura masiva de pilares
Fortificación para operación• No “liberar” bloques• Perno, Malla, Shotcrete (Labores)• Cables (caja pendiente)
13
Caso Explotación de pilares por tronadura masiva
Sección A
14
15
Nivel Perforación DTH
Nivel Extracción
16
Fortificación
Comentarios
Método Mecanizable y SeguroEstabilidad dependiente de estructurasBuena recuperaciónPoca Dilución y Relativamente Selectivo Requiere Krigeage celdas pequeñas (3 a 5 m de lado) y verificación por perforaciones de producción
17
CASERONES Y PILARES
Room & Pillar(R&P)
Campo de Aplicación
Techo soportado por pilaresDepósitos sub horizontalesRoca Razonablemente Competente
18
Técnicas de Arranque
Perforación HorizontalPerforación de “bancos”Excavadoras continuas
Arranque
Perforaciónde Bancos
PerforaciónHorizontal
19
Técnicas de Transporte
Cargadores (LHD)CamionesScraperFFCC
Transporte Mecanizado
Cargador+ Camión
20
Operación Artesanal (Jackleg + Scraper + FFCC)
Manejo de Altas Pendientes del Manto
21
Explotación Ultra Selectiva
Comentarios
Método muy versátilSelectivo y de baja DiluciónEstabilidad dependiente de roca• Techo• Piso• Pilares
Baja recuperación
22
HUNDIMIENTO POR SUBNIVELES
Sub Level Caving(SLC)
Drift driving
Sublevel Caving
Opening raise Ring drilling Blasting
Mucking Rail haulage Crushing and hoisting
23
ESQUEMA TÍPICO DEHUNDIMIENTO POR SUBNIVELES
CONTACTO MINERAL ESTERIL ENHUNDIMIENTO POR SUBNIVELES
ESTERIL HUNDID0
MINERAL TRONADO
24
The KirunaOrebody
The mining ofKiirunavaara
25
RampsOre passes
Present main level, 1045 m
Crushing stations
Hoisting
1045 m
Ore body
Ventilation shafts
Mining System KUJ 2000
26
Sublevel Caving -from small to large scaleNumber of blasts per day for
production level of 60,000 ton/day
Post Ton in-situ Ton cave total1 940 60 10002 720 280 10003 320 680 1000
total 1980 1020 3000
Theoretical Extraction Ellipse From Nilsson’s Model For Gravity Flow
27
In-situ % extracted as a function of total % extracted.
Dilución
Comentarios
Método altamente mecanizableAlta Dilución por contacto permanente con el estérilEstabilidad controlable• En Labores
Buena Selectividad y Recuperación
28
HUNDIMIENTO POR SOCAVACIÓN BASAL
Block / Panel Caving(BC / PC)
CONCEPTO (Hundimiento)
Socavación Basal
29
CONCEPTO (Hundimiento)
Colapso del techo
CONCEPTO (Hundimiento)
Extracción de material
Fracturamiento del techo
30
CONCEPTO (Hundimiento)
Fracturamiento del techo
Extracción de material
CONCEPTO (Hundimiento)
Zonas de Extracción
31
CONCEPTO (Hundimiento)
Crecimiento de zonas de extracción
Fin propagación
CONCEPTO (Hundimiento)
Fase de régimen y
crecimiento de zonas de extracción
32
CONCEPTO (Hundimiento)
Animación:Argyle Diamonds
Tamrock – Atlas Copco
CONCEPTO (Hundimiento)
33
Modalidades de Diseño
Por forma de socavación• Plano o Inclinado
Por modo de extracción• Parrillas• Scraper• LHD
Parrillas
34
Cargadores LHDDiseño “Espina de Pescado”
35
Cargadores LHD Diseño “Teniente”
AlimentadoresTransportador
sin fin
Mineral Acondicionado
Diseño Minería Continua
36
Comentarios
Método altamente mecanizableAlta capacidad de producciónEstabilidad controlable• En Labores
Método altamente mecanizableMínima Dilución (Se corta sólo el mineral)Estabilidad ControladaMuy Buena RecuperaciónBaja Selectividad in situCUIDADO CON EL GAS GRISÚ
2 Artificialmente Soportados:2.1 CR-M Caserones Rellenos de Mineral (Shrinkage)2.2 CR Caserones Rellenos (BF)2.3 C&R Corte y Relleno (C&F)2.4 C&R+P Corte y Relleno con Postes (C&F+PP)
3 Parcialmente Hundido3.1 CHF Corte y Hundimiento Forzado (LW/SW)3.2 CHN Corte y Hundimiento Natural (LW/SW)
4 Hundido4.1 HSN Hundimiento por Subniveles (SLC)4.2 HSB Hundimiento por Socavación (BC/PC)
PRIMERA APROXIMACIÓN
CHN
Competente DébilRoca Caja (Techo / Pendiente)
Potencia =>
C&P CHN
Roc
a M
ena
CV
CVBuen
aM
ala
INFRAESTRUCTURA DE MINAS SUBTERRÁNEAS
Las minas subterráneas tienen que ser tan
autosuficientes como un submarino
52
COMPRENDE:COMPRENDE:
•• Operaciones AuxiliaresOperaciones Auxiliares
•• InstalacionesInstalaciones
INFRAESTRUCTURA DE MINA SUBTERRÁNEA
Son aquellas actividades no relacionadas Son aquellas actividades no relacionadas directamente con el proceso minero (arranque y directamente con el proceso minero (arranque y transporte) sin las cuales transporte) sin las cuales ééste no puede realizarse de ste no puede realizarse de manera segura, efectiva y con responsabilidad social.manera segura, efectiva y con responsabilidad social.
DefiniciDefinicióón:n:
OPERACIONES AUXILIARES
53
•• Ventilación• Drenaje• Energía• Agua• Comunicaciones• Transporte y facilidades para el personal• Transporte y almacenamiento de materiales y residuos (sólidos, líquidos, gaseosos y biológicos)• Instalaciones para mantención de equipos y herramientas• Accesos
SERVICIOS U OPERACIONES COMPLEMENTARIAS
El punto de partida
RecursoGeo3 (log+est+mec)
Modelo deBloques
MétodoExplotación
DiseñoPlan Minero
InfraestructuraCosto Inversión
Evaluación
Reservas
Costo deOperación
Conforme
No conforme
54
Tipos de Demanda(del Plan Minero)
Para Diluir• Gases naturales / Motores / Tronadura / Baterías
Para Acondicionar• Enfriar / Calentar
Para consumir:• Respiración de personas: Q = N x 3 (m3/min)• Combustión Motores: Q = HP x 3 (m3/min)
Para Mover• Arrastrar (Arrastre polvo: usar V = 1 m/s)• Hacer “brisa”• Renovar
Ventilación: Leyes físicasCaída de Presión:
H = K x L x P x Q2 / A3 = R x Q2
PotenciaP = K x L x P x Q3 / A3 = R x Q3
Resistencia:R = K x L x P / A3
Caída de Presión H (Pa = N/m2 ~ 0,1 mm c. a); Coeficiente de Fricción K (kg/m3); Longitus y Perímetro L,P (m); Sección A (m2); Caudal Q (m3/s)
55
Factor de Fricción: Galerías Rectas(Mining Engineering Handbook)
Por Grado de Obstrucción K x 105 (multiplicar por 10-5 para obtener Kg/m3)
Datos para densidad 1,2 Kg/m3
K’=K x δ / 1,2
ComúnOcasionalNingunaTipo Pared
297027802690Roca angulosa
204018601760Enmaderada
130011101020Suave (Carbón o Shotcrete)
560370280Lisa revestida
Drenaje: •Aguas subterráneas (Hidrología)•Aguas de uso industrial (Perforación)
•Destino:•Tratamiento de aguas de minas•Acopio de derrames
• Galerías con pequeña pendiente (0,5%)• Canaletas + Pozos de decantación• Bombas
• Plan emergencia (cortes de energía, crecidas)
DRENAJE
56
•• Demanda según Plan Minero• Flotas de equipos (móviles y estacionarios)• Producción, servicios (bombas, alumbrado, WC, …)
• Anillos• Doble vía de suministro• Respaldo
• Plan emergencia (cortes de energía, generadores, incendios)
•• Demanda según Plan Minero• ¿Cuánto y donde almacenar?
• Interior o exterior mina • Se trata de hacer la operación expedita
• La demanda de materiales se transforma en demanda de transporte y uso de vías.• Casos especiales: polvorines y estaciones de despacho de combustibles (Decreto 72), hormigón.• El manejo de residuos es parte del diseño de la operación incluyendo: transporte, procesamiento y destino final.• Plan emergencia (Manejo de residuos, rebalses de combustibles, polvorines, incendios)
MATERIALES Y RESIDUOS(Sólidos, Líquidos, Gaseosos y Biológicos)
58
•¿Qué mantención en interior mina y qué en superficie?• Minimizar el tiempo de parada del equipo (viaje+intervención)
• Mantención menor en el lugar de trabajo• En interior mina se hace cambio de componentes, los cuales se envían afuera para reparación.
• Combinación recintos y vehículos utilitarios de servicio en terreno.• Casos especiales: Neumáticos, aceros de perforación, baldes y tolvas, montaje y desmontaje de redes.• Contratos con proveedores no reduce las necesidades de facilidades (talleres, bodegas, estacionamientos) y uso de sistemas de transporte y comunicaciones, más bien las aumenta.•Plan emergencia (Manipulación de unidades “en panne”)
INSTALACIONES PARA MANTENCIÓN DE EQUIPOS
• Doble acceso: Siempre y en todo lugar• Por seguridad
• Por ventilación• Por ley (Decreto 72)
• Dimensionamiento según demanda y sistema de transporte• Acceso comprende: Vías, señalización, estacionamientos, control de tránsito, iluminación, vehículos, comunicaciones.• Plan emergencia (Uso de vías en emergencia de otros subsistemas, emergencias propias del sistema de tránsito)
El mejor sistema de transporte es aquel en que no se El mejor sistema de transporte es aquel en que no se requiere hacer transporte.requiere hacer transporte.
ACCESOS
59
FUNDAMENTOS CIENTÍFICOS
La minería está a punto de dejar de ser un “Arte” y pasar a ser un “Proceso Tecnológico”
con base en la Ciencia
•• HUNDIBILIDAD O ESTABILIDAD•Para hacer explotaciones sin sostenimiento•Para hacer explotaciones por hundimiento
• FLUJO GRAVITACIONAL CONFINADO • Recuperación en métodos por hundimiento• Dilución
• ACONDICIONAMIENTO DE MACIZOS ROCOSOS• Para hundir• Para lixiviar
PROBLEMAS FUNDAMENTALES
60
Decisiones de Diseño
Caracterizar
Grado deFragmentación
Acondicionar
¿Hunde?Mal
PropagaciónFragmentación
Hundibilidad
DistanciaConfiguración
Malla
Bien
Regular
GravitacionalDiscretoContinuo
Tipo de M/MÁrea / RHBase / Altura
1º Hdto.
EsfuerzosClase
De Roca No hundir
ÁBACOS DE RADIO HIDRÁULICO
Ábacos empíricos: Mejores para Estabilidad que para Hundibilidad.
No consideran estados de esfuerzos
61
62
FLUJO GRAVITACIONAL
Un largo camino … que todavía no llega a destino.
HistoriaHistoria
• Kvapil
• Laubscher
• Estudios Recientes (ICS e IM2)
FLUJO GRAVITACIONAL CONFINADO
63
FLUJO GRAVITACIONALSegún: Rudolf Kvapil
Supuesto: Las leyes del flujo gravitacional son independientes del tamaño de los fragmentos de materialEstudio de flujo de mineral a granel se puede estudiar en modelos de arena o grava
ESTUDIO DE MODELOS DE SILOS
D D
D independiente de ángulo fondo
64
ESTUDIO DE MODELOS DE SLC
Seudo-elipse
Las figuras no son elípticas pero se aproximan para simplificar los cálculos
Elipsoide de movimiento
Velocidad de partículas
No hay movimiento en el límite del elipsoide de movimientoLa mayor velocidad se observa en el eje del elipsoide, y aumenta a medida que se acerca al punto de extracciónV5>V4>V3>V2>V1
65
Elipsoide de Extracción
Existen zonas de igual velocidad que conservan la forma de elipsoideExistirá una zona de máxima velocidad que comprende el material extraidoEsa Zona se denomina “Elipsoide de extracción”
VERIFICACIÓN DE “EE”
Extracción de “EE” previamente marcado
66
VISUALIZACIÓN DE “EE” Y “EM”
Extracción de “EE” previamente marcado
RELACIONES GEOMÉTRICAS
67
EFECTO DEL TAMAÑO DE FRAGMENTOS
A mayor tamaño de fragmentos mayor diámetro
A mayor movilidad del material mayor esbeltezLa movilidad de las partículas depende de:• Tamaño de partículas• Forma de partículas• Rugosidad de superficie• Ángulo de fricción interno• Densidad• Tasa de extracción• Propiedades del material
Rock size m 0.01 - 0.3 0.1 - 2.0 0.4 - 5.0 1.5 - 9.0+
% +2m³ 0 1 - 5 6 - 20 21 - 45
Loading width Isolated drawzone diameter
5m = 11.5m 13m
4m = 9m 11m 12.5m
3m = 6.5m 8.5m 10.5m 12m
2m = 6m 8m 10m
Diámetro Aislado (Laubscher)
69
DIÁMETRO DE TIRAJE AISLADOIsolated Draw Zone (IDZ)
% +2m³ 0 1 - 5 6 - 20 21 - 45
Loading width
Tiraje irregular (Aislado)
70
Tiraje regular puntos alejados
Tiraje RegularDist. Puntos < 1,5 DTA
71
Mecanismo de Flujo Granular
Aislado Concurrente
Flujo gravitacional Min. Grueso (Vacíos Propagados - Gustafsson)
Aislado Concurrente
72
Interacción: Laubscher
73
Cálculo ley y recuperación (20%)
Ley mineral = 2%, ley Esteril = 0,5%:A 125% de tiraje ley cierre = 1%: % dilución = 30% Recuperación = 90%: Ley media = 1,6%
74
Cálculo ley y recuperación (60%)
Ley mineral = 2%, ley Esteril = 0,5%:A 115% de tiraje ley cierre = 1%: % dilución = 17% Recuperación = 94%: Ley media = 1,8%
FLUJO GRAVITACIONALSegún Estudios Recientes: ICS e IM2
• El tiraje es siempre aislado
• Por lo tanto no existe tal zona de interacción
• Se distinguen 2 zonas: Extracción y Movimiento
• La razón de excentricidad se mantiene constante
Estudios experimentales a escala y con Estudios experimentales a escala y con modelos modelos computacionlescomputacionles realizados en realizados en JKMRC, JKMRC, ItascaItasca e IM2 indican que:e IM2 indican que:
75
ddhh
Material Material extraextraíídodo
Zona de Zona de extracciextraccióónn
Zona de Zona de movimientomovimiento
El diámetro “d” es directamente proporcional a tamaño medio de los fragmentos hasta un cierto límite.La excentricidad h/d es inversamente proporcional al tamaño de fragmentos. En material grueso (tamaño medio entre 0,4m y 0,6m) la razón de excentricidad es del orden de 3 y en materiales finos (entre 0,15m a 0,21m) sería del orden de 5.
Conceptos de flujo gravitacional
¿Qué vamos a hacer sin Laubscher?Criterios de Diseño Convencional AP AP+TT AP+TT+MC
Orientación y forma de frentesDimensiones de frentes
76
ACONDICIONAMIENTO DE MACISOS ROCOSOS
Una oportunidad … que todavía está en evaluación
ACONDICIONAR
CONCEPTO
77
Agregar fracturas a la roca in situ Agregar fracturas a la roca in situ para mejor fragmentar, hundir o para mejor fragmentar, hundir o lixiviarlixiviar
Esfuerzos de Tracción a 24 m del Collar de la Perforación
vista tridimensional con planos que contienen la distribución de esfuerzo a distintas profundidades
TRONADURA CONFINADA
Tronadura con Cara Libre
Esfuerzos
+
-
compresión
tracción
-
+
-
compresión
El concepto
81
0 m 10 m 20 m 30 m
Vp = 5000 m/s
2 ms 4 ms 6 ms
σ
Resistencia a la compresión
Resistencia a la tracción
Pulso de Tronadura
0 m 10 m 20 m 30 m
Vp = 5000 m/s
6 ms
σ
Resistencia a la compresión
Resistencia a la tracción
2 ms 4 ms
Principio de acoplamiento de ondas
82
Detonadores pirotécnicosDetonadores electrónicos
Control de TiemposControl de Tiempos
L ?L ?
Principio de SuperposiciPrincipio de Superposicióónn
•Dimensionar separación y tiempos de salida
Modelar el medio
Modelar las ondas
83
Principio de InteracciPrincipio de Interaccióónn
•Dimensionar el Espaciamiento entre tiros
Modelo 3D del medio rocoso
Solución numérica por aproximaciones sucesivas
E ?
¿DE DONDE VIENE EL FINO?
Las teorías de tronadura y hundimiento sólo explican la fragmentación a partir de la existencia de fracturas, sin embargo… ello no explica la presencia de tanto fino
84
SENCILLO SENCILLO EXPERIMENTOEXPERIMENTO
¿¿QuQuéé le parece? le parece?
EFECTO DEL FINO EN EL FLUJO GRAVITACIONAL
SIN FINO NO ES POSIBLE EL SIN FINO NO ES POSIBLE EL ESCURRIMIENTO GRAVITACIONAL ESCURRIMIENTO GRAVITACIONAL DEL MATERIAL FRAGMENTADODEL MATERIAL FRAGMENTADO
EFECTO FINO
85
TENDENCIAS
El futuro es subterráneo… aunque tome un tiempo
MACIZO POCO FRACTURADO• SISMICIDAD• COLPAS• COLGADURAS y CACHORREO