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CARRERA: INGENIERIA DE MINAS

CURSO: Gestión de Operaciones Mineras  DOCENTE: Yataco Dueñas Vladimir

TEMA: OPTIMIZACIÓN DE LA LOGÍSTICA DEL SHOTCRETE EN OPERACIONES SUBTERRÁNEAS

INTEGRANTES:-Arenaza Vázquez Guillermo-Cabrera Araujo Fonziearelly-Cruzado Cabanillas Anthony-Guerrero Vargas Jorge-Muños Sánchez Oscar-Vigo Jave Larry

RESUMEN El presente trabajo tiene como fin encontrar la mejor opción

técnico-económica para el transporte de concreto lanzado (shotcrete) a interior mina, para ello se evaluarán tres alternativas logísticas excluyentes: (a) Instalar una planta de concreto en superficie y trasladar a interior mina mediante mixers, (b) Instalar una planta de concreto en interior mina en el centro de gravedad de las operaciones, y (c) Instalar una planta en superficie y enviar el concreto a mina por medio de tuberías.

Para la evaluación de los 2 primeros resultados, se cuenta con los resultados obtenidos en las minas San Cristóbal y Cerro de Pasco de la empresa Volcan; para la tercera alternativa, se cuenta con la data proveniente de la mina Diamond Cullinam1 en Sudáfrica.

INTRODUCCIÓN La creciente necesidad de las empresas mineras por alcanzar la competitividad, nos obliga

a diseñar procesos más eficientes donde se optimice el empleo de los recursos creando mayor valor agregado. La aplicación mecanizada del concreto lanzado por vía húmeda no es la excepción, cumple con las condiciones de ser una metodología de rápida aplicación y resultados tangibles cuando se conjugan: la pericia del operador, un buen diseño de la mezcla y condiciones adecuadas en la labor (presión neumática adecuada, terreno previamente desatado y dentro del tiempo del autosoporte).

La aplicación del concreto lanzado reduce de gran manera el ciclo de minado. Recordemos cuando hace unas décadas, el sostenimiento de una labor con roca tipo 4 (de acuerdo a GSI) implicaba el armado de cuadros con encribado antes de dar un siguiente disparo, dicha operación para una labor de 3,0m x 3,5m podía tomar a 2 obreros toda una guardia de trabajo (12 horas); la aparición del concreto lanzado por vía húmeda cambió dicha situación, el armado de cuadros sería reemplazado por 4 pulgadas de concreto con fibra, tomando sólo 20 minutos en la misma labor. Todo el mundo parece satisfecho por la reducción del ciclo de minado, pero ¿Estaremos siendo eficientes? ¿O tal vez estén aumentando nuestros costos a medida que profundizamos la mina? ¿Cómo saberlo? A fin de dar una respuesta, debemos primero distinguir las etapas del proceso: (a) elaboración del concreto, (b) transporte a interior mina, y (c) lanzado de concreto.

Observamos que los costos de elaboración y lanzado dependen de la capacidad instalada de la planta y del lanzador de concreto, los cuales tienen un límite de productividad, mientras más cerca estemos de éste, mayor será nuestra eficiencia; por tanto, debemos enfocar nuestro análisis en el transporte de concreto.

OBJETIVOS Y ALCANCES El principal objetivo es identificar la alternativa más eficiente y segura para el transporte de concreto a interior

mina. La aplicación del concreto lanzado como metodología de sostenimiento subterráneo data del siglo pasado; sin

embargo, su aplicación se encuentra plenamente vigente especialmente en calidades de roca de pobre a muy pobre según la clasificación de Bieniawski2.

El presente artículo está circunscrito a la aplicación del concreto lanzado de manera mecanizada mediante vía húmeda, a la cual atribuimos mayores ventajas por lo siguiente:

Permite una mayor mecanización de las operaciones: Al centralizar la elaboración en un solo punto específico (Planta de concreto) desde donde es suministrada a todos

los tajeos. Con el surgimiento de nuevos equipos de alta productividad; por ejemplo el robot lanzador de concreto Alpha 30

de la firma Semmco (30 m3/h) Con el surgimiento de plantas de concreto móviles de gran versatilidad para su instalación y operación pudiendo

ser instaladas en superficie o en interior mina. Brinda mayores facilidades para controlar la calidad del producto final (concreto): Las plantas automatizadas permiten obtener dosificaciones con desviaciones estándar menores a 0,2% en su

composición, obteniéndose un producto final confiable. La naturaleza automatizada de la Planta permite dosificar el volumen de agua y con ello mantener el control de la

relación agua/cemento. Constituye un procedimiento más amigable con el medio ambiente al evitar la polución que produce el método por

vía seca. Para comprender la logística de la operación, es necesario entender previamente las operaciones unitarias que

conforman su proceso productivo: (a) Selección y control de insumos, (b) elaboración del concreto, (c) transporte y (d) lanzado.

1.1Selección y control de calidad de insumosIdeal y deseable hubiera sido no incluir esta etapa dentro del proceso, pues se supone que los insumos llegan en condiciones óptimas de calidad, listos para mezclarse. En la realidad, el supuesto no se cumple y nos vemos obligados a aumentar una operación unitaria.La selección y control de insumos son de importancia capital, un error en esta etapa puede provocar la elaboración de un producto no confiable o inservible para el sostenimiento. Es así que se deben realizar monitoreo y control de todos los insumos.Los puntos de control son aquellos hitos del proceso donde podemos controlar que los insumos cumplan con los requerimientos mínimos de calidad, a saber: Agua: El pH del agua debe ser de preferencia neutro, con una temperatura mínima de 15 grados centígrados, estando

libre de sedimentos y partículas que inhiban el proceso de hidratación del concreto. El control de la composición se logra con análisis periódicos de laboratorio; la temperatura, mediante un termómetro. Agregados: Se debe monitorear la granulometría, la humedad del agregado, la presencia de arcillas, material orgánico

o partículas demasiado angulosas. El control se logra mediante análisis del agregado de acuerdo a lo especificado por la norma ASTM C333. 

Cemento: El cemento debe de cumplir con la norma ASTM C1504. La forma práctica de controlarlo es mediante la expedición del certificado de fabricación. Importante es almacenarlo en un silo que cumpla las condiciones requeridas de temperatura y hermeticidad.

Aditivos: Los aditivos más usados para elaborar el concreto son los estabilizadores y reductores de agua, los cuales son regulados por la norma ASTM 4945. El control se logra manteniendo al día las certificaciones de fabricación.

Fibra:Es importante evitarse la contaminación con aceite, grasa, cloruros u otra sustancia. En el caso de la fibra metálica, debe almacenarse en recipientes secos a fin de evitarse la posibilidad de corrosión. El control se logra manteniendo las certificaciones de fabricación al día.

1.2 Elaboración del producto intermedio

Hablamos todavía de un compuesto hasta ahora conformado por:agua, cemento, agregados, fibra y aditivos.

Luego de obtenido el control previo de los insumos que ingresan al proceso, la segunda fase consiste en la dosificación automática y mezcla de dichos componentes. El empleo de una planta automatizada de concreto permite una alta confiablidad en las proporciones de los componentes minimizando los sobrecostos /inseguridades por excesos/defectos.

1.3 Transporte Esta es la etapa en la cual está centrado el problema logístico, objeto del presente estudio y donde puede obtenerse la mayor eficiencia y por ende, el mayor ahorro. El costo en las etapas anteriores depende sólo de la cantidad de material producido y de las horas-hombre necesarias para el control; sin embargo, en esta nueva etapa debemos añadir otro objeto de costo: la distancia a transportarse los insumos y/o la distancia a transportarse el concreto.

Elaborar el concreto en superficie y trasladarlo por medio de mixers al pie de la labor en interior mina (Modalidad empleada en Volcan - San Cristóbal)

Trasladar los insumos a una planta de concreto ubicada en interior mina, elaborar la mezcla y trasladarlo por medio de mixers al pie de las labores. (Modalidad empleada en Volcan - Cerro de Pasco)

Elaborar el concreto y superficie y trasladarlo a interior mina mediante un sistema de tuberías, de donde es trasladado por medio de mixers al pie de las labores. En estado fresco y de manera previa a cargarse a los mixers, la mezcla debe ser sometida a los

siguientes controles de calidad: Control del slump o asentamiento6 (ASTM C143) Contenido de aire y peso unitario7 (ASTM C138) Control de temperatura del concreto8 fresco (ASTM C1064)

1.4 Lanzado (elaboración del producto final)Se inicia con la llegada del mixer al pie de la labor y su posicionamiento contiguo al robot lanzador de concreto. En esta última fase, el concreto se transforma en concreto lanzado o shotcrete, luego de la adición del aditivo acelerante y la proyección por medios neumáticos.Son factores operacionales para el éxito en esta etapa: Las condiciones de la labor, terreno perfectamente desatado y humedecido de

preferencia. La presión y caudal del aire comprimido en interior mina debe estar acorde a las

especificaciones mínimas del equipo. El personal debe poseer la habilidad y técnica adecuada para el lanzado. Es adecuado en esta etapa proseguir con los siguientes controles de calidad: Control de slump o asentamiento al pie de labor (ASTM C143) Resistencia compresiva del concreto endurecido9 (ASTM C39) Obtención de testigos diamantinos (ASTM C42) Preparación de paneles de concreto (ASTM C1140) Resistencia a la flexión del concreto reforzado con fibra usando cargas centrales12

(ASTM C1550).

2.PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMACon el fin de poder evaluar las alternativas, debemos primeramente establecer el problema. Asumamos los siguientes datos operacionales: Necesidad de concreto en interior mina: Metros cúbicos mensuales La minería construye sueños

3.EVALUACION DE ALTERNATIVAS La presente evaluación tomará en cuenta los aspectos técnicos y

económicos

1 Alternativa A: planta de concreto en superficie + transporte en mixers

Fig. 1 planta de concreto en superficie + transporte en mixers 

Ventajas a. El CAPEX (costos de inversión) es relativamente bajo al instalar una

planta de concreto en superficie, donde existen menores limitaciones para el movimiento de tierras y obras mecánicas y civiles.

b. La instalación de la infraestructura para la operación es rápida. Lo mismo ocurre en el caso que se requiera trasladar la planta a otra ubicación.

c. El suministro de materiales (agregados cemento, aditivos) es sencillo y versátil.

d. Las operaciones de despacho no se encuentran limitadas por el espacio.

Desventajas La distancia promedio para las labores es de 7 km (tomando en

cuenta la profundidad media de 700 m y una rampa de 10% de gradiente) elevando los costos operativos de transporte.

El tiempo de trabajo efectivo de los equipos es mínimo. Teniendo en cuenta que debe recorrer en promedio 14 km (7 km de ida y 7km de regreso), el número de viajes por guardia que realiza un equipo es en promedio de 2,5

Se requiere una gran cantidad de mixers para poder desarrollar el servicio. Teniendo en cuenta que cada mixer transporta 3 metros cúbicos: 5.000 /(30 * 2,5 * 3) = 22 unidades

La congestión en las vías de acceso provocada por los mixer, limitando el flujo normal de operaciones.

La contaminación atmosférica dentro de la mina provocada por los motores de combustión interna de los mixer.

3.2 Alternativa B: planta de concreto en interior mina + transporte en mixers 

Ventajas Los costos operativos son menores que la opción anterior. El costo

unitario de transporte de concreto en mixer puede disminuir hasta en un 30% debido a la reducción de las distancias.

La disminución de la flota de equipos mixer hasta en un 50% para el caso planteado, disminuyendo los costos de mantenimiento.

La presencia de una planta en interior mina equipada con un laboratorio, facilita el monitoreo y control de la calidad del producto final: concreto en las labores.

El suministro de agregados se realiza a través de la chimenea R/B con una tolva al final, empleando para ello sólo la energía potencial gravitatoria.

Desventajas El CAPEX es alto en este caso.

Además de las instalaciones electro-mecánicas del caso anterior, se requiere romper y evacuar 15.000 metros cúbicos de roca en desmonte, incurriendo muchas veces en un alto costo de oportunidad de los equipos destinados para la producción de mineral. Adicionalmente, la elaboración de una chimenea raise borer (perforación piloto + rimado) para el transporte de agregado es otra inversión importante. Para este caso, hemos supuesto que la ventilación en interior mina es buena pues la instalación de la planta subterránea supone una significativa polución adicional; en caso de no ser así, sería necesaria la implementación de una segunda chimenea raise borer próxima y exclusiva para la ventilación de la cámara.

La construcción de la infraestructura para la operación es lenta (preparación de cámara subterránea + chimeneas raise borer).

El espacio subterráneo para ejecutar las operaciones de despacho es mucho menor que en superficie. El suministro de cemento es complejo y no puede mecanizarse de forma tan sencilla como el

agregado. En Cerro de Pasco, actualmente se traslada por medio de volquetes y estibadores. La sección de las rampas de acceso a la cámara deben de prepararse para la circulación de volquetes. El flujo de las operaciones se vuelve dependiente de: la disponibilidad de los volquetes, la congestión

vehicular y el estado de las rampas. Si bien, disminuye la cantidad de mixers; la congestión vehicular y la emanación de gases no

disminuye con la llegada de los volquetes con cemento a interior mina. Aumenta la polución en interior mina, con la descarga y el manipuleo de las bolsas de cemento.

3.3 Alternativa C: planta de concreto en superficie + transporte por tuberías

Estamos ante una nueva alternativa, hasta ahora sólo empleada en Norteamérica y África, la cual consiste en mantener una planta de concreto en superficie y a través de tuberías y un sistema de bombeo, el concreto es enviado a un tanque de remezclado en interior mina donde la mezcla recupera las propiedades perdidas por el aumento de temperatura y es redistribuida a los mixers que abastecen de concreto a las labores. De acuerdo a autores como Aronowitz y Steward 13, el éxito del método está basado en dos principales factores:

a. El empleo de aditivo superplastificante para el diseño del concreto que descenderá por caída libre a través de un sistema de tuberías verticales. El calentamiento producido por la fricción puede fácilmente originar una pérdida de slump de hasta 30% para los 700 metros de caída. Es aquí donde la acción del aditivo mitiga dicha pérdida permitiendo contar con una mezcla de buena trabajabilidad.

b. La instalación de una tubería de acero previamente tensada, diseñada para trabajar en ciclos intermitentes de compresión y tensión, asegurando la sostenibilidad de la operación.

Alternativa A Planta de shotcrete en superficie + transporte en mixers

Alternativa B Planta de shotcrete en interior mina + transporte en mixers

Alternativa C Planta de shotcrete en superficie + transporte por tuberías

Producción mensual de shotcrete (m3) 5.000 5.000 5.000CAPEX $ 440.000 1.310.000 1.030.000OPEX (US$/m3 de shotcrete) $ 280 256 240Costo mensual de producción $ 1.400.00 1.280.00 1.200.00Costo anual de producción $ 16.800.00 15.360.00 14.400.00Tasa de interés 10% 10% 10%Vida útil estimada (años) 5 5 5Valor presente neto de los costos $ 58.295.652 54.124.077 50.561.209CAUE (5, 10%) -$15.378.246 -$14.277.795 -$13.337.919

Ventajas El CAPEX es intermedio entre las dos opciones anteriores. Los costos operativos son menores que en las opciones anteriores.

Si bien el costo de elaboración asciende en el empleo del aditivo superplastificante, disminuye el empleo de aditivo estabilizante para las labores cercanas; asimismo, se evita el sobrecosto por transporte de cemento en volquetes.

La disminución de la flota de equipos mixer hasta en un 50% respecto a la primera alternativa, disminuyendo costos de mantenimiento y emisión de gases diesel en interior mina.

El suministro de concreto a través de tuberías emplea prácticamente sólo la energía potencial gravitatoria resultando una manera funcional y económica para el transporte.  

Se requiere de poco espacio en interior mina, sólo una cámara para albergar el tanque de descarga y mezclado

Desventajas La construcción de la infraestructura para la operación es lenta (preparación

de chimenea raise borer + instalación de tubería). En nuestro país hay escaso personal con las competencias y experiencia para

instalar las tuberías pretensadas. Se requiere de una persona en interior mina dedicada exclusivamente a

coordinar la recepción y el despacho. Adicionar un superplastificante puede incrementar los costos variables de

elaboración del concreto En la Tabla 1 se muestra el análisis económico comparativo de las 3 opciones.

Se han considerado para el análisis los siguientes supuestos: Un costo financiero de 10% anual La vida útil de los sistemas es similar para las 3 alternativas e igual a 5 años. De acuerdo a los cuales, económicamente la mejor alternativa es el transporte

de a través de tuberías.

4. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

El éxito en la aplicación del concreto lanzado o shotcrete dependerá de: (a) Una adecuada selección y control de calidad de insumos; (b) planta de concreto y equipos de transporte (mixers) y lanzado en buenas condiciones, lo cual se logra mediante la implementación efectiva de un programa de mantenimiento preventivo; (c) condición adecuada de los servicios en interior mina, como presión y caudal de aire, (d) personal competente con habilidad y técnica adecuada.

Los costos de elaboración y lanzado de concreto poseen un componente fijo: el costo de la planta y de los equipos.

Dicho costo se podrá disminuir cuando la utilización efectiva esté más cercana a la capacidad instalada. Los componentes variables del costo de elaboración están dados principalmente por los insumos, siendo

los de mayor incidencia para la elaboración de 1 metro cúbico: (a) el cemento, (b) el aditivo acelerante y (c) la fibra. El enfoque para la reducción de costos estará dado por la mejora en el diseño del shotcrete.  

Los principales inconvenientes originados por despachar mixers desde superficie son: (a) Los costos variables de transporte se incrementan a medida que se profundizan las operaciones, (b) a medida que se profundiza la mina y se incrementan las distancias, la eficiencia de los mixers disminuye realizando cada vez menos viajes por guardia y siendo necesario incrementar la flota.  

Implementar una planta de concreto en interior mina implica trasladar un problema logístico de superficie a interior mina donde la ventilación es menor y existen mayores limitaciones de espacio para realizar las mismas operaciones logísticas. No es recomendable para altas producciones de concreto.

Bajo iguales condiciones de distancia, el transporte de shotcrete a través de tuberías es la mejor opción debido a criterios económicos, medio-ambientales y operativos. Sin embargo, de manera previa a cualquier implementación deberán de evaluarse las características particulares de cada mina a fin de tomar la mejor opción.