Block Caving Final

ESTUDIO DEL MÉTODO DE EXPLOTACIÓN BLOCK CAVING

Tomás Saint-Jean Riquelme, 2012

Resumen El presente trabajo trata sobre el estudio del block caving, un método subterráneo de extracción de mineral. Primero, se introducirá a grandes rasgos el método. A continuación, se mencionará las condiciones de aplicación y algunos tipos de yacimientos que cumplen con estas condiciones. Luego, se analizará el método en profundidad, describiendo en detalle el método con todas las especificaciones técnicas necesarias. Finalmente se mencionan las ventajas y desventajas del método.

PALABRAS CLAVES: Block Caving, yacimiento, hundimiento, nivel de hundimiento, nivel de producción, fragmentación, subsidencia.

INTRODUCCIÓN

El block caving es un método de extracción subterránea que funciona por hundimiento de bloques de mineral de gran volumen. Se aplica generalmente en yacimientos masivos, de alto tonelaje debido a los bajos costos y altas tasas de producción que lo caracterizan. A grandes rasgos, se extrae material suficiente desde un nivel inferior de la mina para que el mineral de la parte superior pueda hundir. La extracción del material hundido en la parte inferior de las columnas de mineral (puntos de extracción) permite que el mineral de las partes superiores siga hundiendo, al mismo tiempo que alcanza una fragmentación adecuada para ser manejado. Si se aplica de manera apropiada, el block caving resultará ser el método con los menores costos por tonelada.

CONDICIONES DE APLICACIÓN Y YACIMIENTOS ADECUADOS

Para implementar óptimamente el block caving es necesario un yacimiento masivo de grandes dimensiones con mineral relativamente incompetente y debidamente fracturado. Idealmente debe tratarse de un mineral blando, fácil de seguir fracturando, que sea capaz de mantenerse firme mientras los bloques están siendo desarrollados y alistados para su socavamiento, pero que se rompa fácilmente al momento de hundir [1]. Es importante mencionar, eso sí, que la tecnología disponible hoy en día permite su aplicación en macizos rocosos que presentan mayor dureza y alta resistencia a fragmentarse.

Debe existir suficiente área horizontal disponible para

iniciar el proceso de hundimiento y expandir sus niveles. La superficie debe hundir y permitir su subsidencia a medida que el mineral subyacente va siendo removido. El peso de la sobrecarga ayudará a fragmentar el mineral, además debe romperse en pedazos de roca gruesos que resistan el desgaste mientras el mineral es removido en la parte inferior para evitar que éste se diluya. Cuando la sobrecarga es blanda, ésta puede fragmentarse en pequeños pedazos y mezclarse con el mineral, generando una alta dilución.

Por tratarse de un método no selectivo y de extracción masiva que no permite extraer sectores específicos del yacimiento o separar porciones de baja ley, es fundamental que el contorno del cuerpo mineralizado sea regular, que sus lados sean lo más perpendicular posible al plano horizontal y que la distribución de leyes sea lo más uniforme posible. Vetas anchas, mantos profundos y cuerpos voluminosos capaces de hundir son adecuados para su aplicación.

Dadas estas limitantes, este método se utiliza típicamente en la minería del hierro, en depósitos de molibdenita diseminada y en otros yacimientos diseminados de baja ley como pórfidos cupríferos, los que juegan un rol muy importante en nuestro país por su gran ocurrencia e importancia económica.

PRINCIPIOS DEL MÉTODO

El principio básico de este método consiste en el hundimiento y quiebre de mineral por la remoción de un área de soporte suficientemente grande desde la parte inferior de bloques de mineral previamente

Centro de Minería, Pontificia Universidad Católica de Chile

diseñados, utilizando las técnicas convencionales de perforación y tronadura. El mineral del fondo del bloque cae por la acción de la gravedad rellenando el vacío generado y es extraído sistemáticamente por la base a través de un sistema de embudos o zanjas recolectoras que han sido previamente preparadas, dando paso al hundimiento total del bloque (de abajo hacia arriba). La velocidad de este proceso dependerá de la estructura del material a hundir. Es importante señalar que tanto la gravedad como los esfuerzos internos de la roca son utilizados para romper el mineral hasta dejarlo de un tamaño adecuado para su manipulación en los puntos de extracción, ya que la presión en la masa rocosa irá incrementando a medida que aumenta la profundidad, permitiendo que el mineral se fracture en pedazos más pequeños [1]. El proceso termina cuando se ha extraído toda la columna mineralizada.

Figura 1: Diseño tradicional del block caving [1]

En la figura 1 se aprecia el diseño tradicional del método. Se debe mencionar que el material estéril sobrepuesto también desciende ocupando el vacío dejado, formándose una especie de cráter, tal como se observa en la figura 2. Este fenómeno que se conoce como subsidencia.

Figura 2: Subsidencia producida por la acción del block caving en la mina Ridgway en Carolina del Sur, EEUU [2]

Dependiendo de su extensión vertical, el cuerpo mineralizado puede ser explotado a partir de uno o de varios niveles de producción que se hunden sucesivamente en una secuencia descendente. Las alturas de los bloques pueden variar de 25 a 500 metros.En la práctica, se distinguen dos modalidades de aplicación de este método que calzan con la descripción anterior, pero que no se deben confundir. Por un lado está el block caving propiamente tal, en que cada nivel se subdivide en bloques virtuales de área basal entre 3.600 m2 (60 x 60 m) y 10.000 m2 (100 x 100 m), que se hunden sucesivamente en una secuencia discreta. Y por otro lado está el panel caving, que consiste en un hundimiento continuo de áreas o módulos de explotación de dimensiones menores, permitiendo mayor flexibilidad en la producción de la mina.Muchas veces, en la literatura minera, se suele hablar de block caving para referirse al panel caving. Esto genera bastante confusión y se debe tener mucho cuidado.

ASPECTOS TÉCNICOS

Desarrollo y preparación

El desarrollo y la preparación del método deben ajustarse a las características del yacimiento. En un suelo relativamente duro, por ejemplo, un mínimo soporte puede ser requerido en los niveles de extracción y los puntos de extracción pueden estar ampliamente separados. Por otro lado, en suelos blandos, cuando se espera que el mineral se fragmente


en pequeños pedazos, se requerirá de mayor soporte y los puntos de extracción deberán estar espaciados a intervalos más pequeños. En cualquier caso, se requiere de largos períodos de tiempo para la preparación de la mina junto con una gran inversión de dinero antes de que la producción empiece.

En general, las obras de preparación y desarrollo necesarias en un block caving son [3]:

o Nivel de producción: conjunto de galerías

paralelas espaciadas entre 15 a 30 metros donde se realiza la operación de extracción del mineral.

o Nivel de hundimiento: conjunto de galerías

paralelas espaciadas entre 15 a 30 metros a partir de las cuales se realiza la socavación o corte basal del bloque. Se ubica a una cota entre 7 a 20 metros sobre el nivel de producción.

o Embudos o zanjas recolectoras de mineral:

excavaciones que conectan el nivel de producción con el nivel de hundimiento que permiten la extracción del mineral en los puntos de extracción.

o Piques de traspaso: son labores verticales o

inclinadas que conectan el nivel de producción con el nivel de transporte.

o Nivel de transporte: conjunto de galerías

paralelas espaciadas entre 60 y 120 metros, donde llega el mineral desde el nivel de producción. Ahí a un sistema de transporte que lo conduce a la planta de chancado, que puede estar ubicada en superficie o en el interior de la mina.

o Subnivel de ventilación: conjunto de galerías

paralelas espaciadas entre 60 y 120 metros, con los correspondientes cruzados de cabecera, ubicadas bajo el nivel de producción (15 a 30 metros). Incluye las chimeneas por

donde se inyecta o se extrae el aire hacia y desde el nivel de producción, respectivamente.

o Subnivel de reducción: Nivel donde se reduce

el tamaño del mineral. Puede ser o no necesario, dependiendo de la geometría del cuerpo mineralizado y de las características de la roca.

En la figura 3 se aprecian todas estas obras.

Figura 3: Block caving y sus obras de preparación y desarrollo [3]

Condiciones de hundibilidad

Para determinar si un yacimiento hundirá, es necesario aplicar un profundo estudio de mecánica de rocas. Algunas investigaciones recientes se han realizado para determinar de mejor manera los índices de hundibilidad de distintos cuerpos mineralizados. En este sentido, el grado de fracturamiento es un parámetro crítico a analizar.

Para asegurar un buen hundimiento del mineral, varios sets de fracturas son esenciales. Idealmente se requieren dos conjuntos de fracturas verticales en ángulos rectos (o casi) entre sí y un tercero horizontal. Dado que el hundimiento se produce por la acción de la fuerza de gravedad, es poco probable que éste se produzca en ausencia de estos sets de fracturas que debilitan la masa rocosa, a menos de que se trate de


una con características similares a la arena. Uno o dos conjuntos de fracturas verticales por sí solos, normalmente no serán suficientes para lograr el hundimiento del mineral; solo será posible si la resistencia a la tracción de la roca es lo suficientemente baja. Y de existir solo un set de fracturas horizontal, el mineral probablemente se rompería por tensión o corte, pero los bloques generados serían demasiado grandes para ser manejados a través de los puntos de extracción y habría que incurrir en altos gastos de tronadura secundaria [1].

Cuando se estudia el yacimiento para determinar el método de extracción más apropiado, es necesario analizar la existencia de fracturas dispuestas de manera que el mineral se quiebre en tamaños que permitan una fácil operación en los puntos de extracción. Mientras más cerca se encuentren las fracturas, el mineral hundirá más fácil y la operación será más simple. En un yacimiento ideal, todos los fragmentos de mineral deben llegar sin problemas al punto de extracción; lamentablemente, es muy difícil que esto suceda y muchas veces será necesario aplicar tronadura secundaria, aumentando los costos de extracción. En general se espera que al menos el 50% del mineral se rompa en fragmentos inferiores a 1,5 metros. Además, se ha observado que es en el primer tercio de la extracción en que se incurre en los mayores costos de tronadura secundaria. En este periodo de tiempo, la fragmentación del mineral depende casi exclusivamente de la acción de la gravedad sobre los planos de fractura. Luego, a medida que la columna de mineral va hundiendo, empiezan a actuar los esfuerzos propios del mineral sobre porciones específicas que junto con la abrasión ayudan a reducir su tamaño.

Tasa de extracción

El material hundido debe ser extraído lo suficientemente rápido para evitar que se estanque en el nivel de hundimiento o undercut y con esto permitir que el hundimiento progrese normalmente hacia arriba. Es común que en la etapa inicial del hundimiento del bloque, se prefieran tasas de extracción bajas, de entre 75 y 100 milímetros por día (referidos a la altura de la columna de mineral). A medida que el hundimiento va progresando, se llega a tasas que oscilan entre los 200 y 400 milímetros por día [4]. Esta tasa dependerá del índice de hundibilidad del mineral y de su

fragmentación. En general, material más fino permite mayores tasas de extracción.

Normalmente el mineral hundirá y se fragmentará por su propio peso y por el de la sobrecarga, idealmente hasta llegar a un tamaño manipulable en la zona de extracción. Sin embargo, hay veces en que el mineral no llega al tamaño deseado y quedan pedazos de roca demasiado grandes estancados que detienen el normal hundimiento. En esos casos se debe aplicar tronaduras adicionales para que el mineral caiga a los puntos de extracción.

El proceso de extracción continúa según la tasa definida hasta que el valor del mineral en los puntos de extracción ya no sea económicamente rentable, lo que se puede determinar por valores de ensayo o inspección visual del material extraído.

Si la velocidad de extracción es mayor a la velocidad de hundimiento del bloque, se generará un vacío sobre el material hundido que puede ser muy peligroso. La parte no hundida o gran parte de ella puede caer repentinamente a través del vacío creado entre las dos zonas, generando un golpe de aire muy peligroso y destructivo al interior de la mina. También es posible, si la roca de la parte superior es lo suficientemente fuerte, que se forme una bóveda estable que impide seguir con el hundimiento. En este caso el bloque debe ser ampliado hasta que hunda o se debe inducir de alguna forma el hundimiento. Además, puede suceder que estéril se cuele en el vacío y se mezcle con el mineral, generando dilución, tal como lo muestra la figura 4.

Figura 4: Estéril entrando a la zona de mineral, a través del vacío generado [4]


Tasa de Producción

La tasa de producción dependerá de las características propias de la mina donde se aplique el método. Factores como la infraestructura, el diseño, la tasa máxima de hundimiento permitida, la experiencia del personal, entre otras pueden afectar considerablemente el ritmo de producción. Sin embargo, la tasa de producción de un solo sector o unidad se encuentra entre las 10.000 y 40.000 toneladas por día. El máximo actual se encuentra en la mina DOZ perteneciente a Freeport, en Indonesia, donde la producción oscila entre las 77.000 y 96.000 tpd [3].

Control de la dilución

La recuperación y la dilución son factores extremadamente importantes para que el método sea exitoso. Siempre se buscará maximizar la recuperación y minimizar la dilución. En este sentido, una extracción bien controlada es esencial para disminuir el efecto de la dilución. Zonas de estéril que fragmentan con una granulometría mayor que el mineral son mejores para obtener una baja dilución. Por el contrario, si el estéril fragmenta de menor tamaño, puede diluirse en el mineral y generar una alta dilución. Sin embargo, ésta puede ser controlada con una correcta estrategia de extracción [1].

Altura de bloques

La altura de los bloques es muy importante desde un punto de vista económico. Por un lado, los costos de desarrollo por tonelada son inversamente proporcionales a su altura. Por otro lado, mientras más altos los bloques, menor será la relación sobrecarga/mineral, favoreciendo a una menor dilución si el mineral se extrae de manera conveniente. La figura 5 muestra la altura de los bloques de distintas minas y su frecuencia relativa al año 2004.Actualmente, la altura promedio de los bloques en la industria gira entorno a los 240-250 metros [5], pero se desea llegar a los 500-550 metros. Es importante mencionar que la altura de los bloques se considera hasta la superficie, es decir considerando la sobrecarga.Finalmente, la altura máxima de los bloques estará definida por profundidad del yacimiento y de las características del mineral y de la roca de caja.

Figura 5: Altura de los bloques de distintas minas y su frecuencia relativa al año 2004 [5]

En cuanto al área horizontal de los bloques, ésta debe ser lo suficientemente grande para que el bloque pueda hundir, pero lo suficientemente pequeña para no ejercer demasiado peso en los puntos de extracción.

Diseño del nivel de extracción

La zona de perturbación que genera un punto de extracción es función del tamaño del material esperado en ese punto. Éstas se refieren al mineral que es afectado por la extracción de mineral en un punto, produciendo su movimiento. Cada una de las zonas de perturbación debe traslaparse ligeramente con la de los puntos de extracción adyacentes de manera que ninguna masa de mineral quede estancada y sin movimiento a medida que el mineral va siendo extraído. Mientras más fino se rompa el mineral, más cerca deben ubicarse los puntos de extracción [1]. Sin embrago, esta distancia dependerá más del diseño del nivel de extracción que puede ser de mallas tipo Teniente, tipo Henderson o cuadradas, como lo muestra la figura 6. La elección del diseño dependerá de la facilidad del desarrollo, del tamaño de los bloques y, en algunos casos, de la estabilidad de los pilares. Las configuración del distanciamiento de los puntos de extracción han variado desde 12 × 24 metros hasta 15 × 30 metros y más recientemente de 17 × 31 metros [5].


Figura 6: Diseño de galerías de extracción y mallas tipo [6]

El espaciamiento de los puntos de extracción puede ser determinado de mejor manera con la experiencia de otras minas que operan en condiciones similares y experimentando en la mina propia una vez que la producción ya se ha iniciado. Muchas veces esta distancia cambia a medida que las condiciones de producción varían a la vez que se va ganando experiencia en la operación.

Ventilación

El block caving es un método que requiere un suministro intensivo de ventilación, en especial al nivel de producción, donde se concentran un conjunto de operaciones altamente contaminantes con presencia de personal: extracción y traspaso (polvo); tronadura secundaria (gases); y también, en muchos casos, carguío y transporte con equipo diesel (polvo y gases).

La solución clásica es disponer un subnivel de ventilación ubicado unos pocos metros más abajo del nivel de producción (15 a 30 metros). Consiste en un conjunto de galerías paralelas coincidentes y alineadas con las galerías de cabecera o cruzados de acceso a los bloques.

El aire fresco se inyecta a las galerías de producción a través de chimeneas, recorre estas galerías y retorna al subnivel de ventilación por otras chimeneas similares ubicadas en la línea de bloques siguiente.Para tales efectos, es necesario disponer de túneles y/o piques principales de inyección y extracción de aire, dotados de los correspondientes ventiladores. Estas labores forman parte de lo que se denomina infraestructura general de la mina.

Fortificación

El principal problema dice relación con la estabilidad de las labores del nivel de producción. Estas labores son sometidas a intensas solicitaciones inducidas por la redistribución y concentración de esfuerzos asociadas al proceso de hundimiento.En presencia de roca poco competente con buenas características de hundibilidad, las soluciones consisten en una fortificación sistemática con marcos de madera o un revestimiento continuo de hormigón, dependiendo del área de la sección del nivel de producción. Si las condiciones son menos rigurosas, puede ser suficiente un apernado conjuntamente con malla de acero y shotcrete. Cuando se trata de roca competente, generalmente se recurre a soluciones que contemplan progresivamente apernado sistemático, malla de acero y shotcrete.

Las situaciones más críticas se presentan en las intersecciones de las galerías de producción con estocadas de carguío. Para mantener su estabilidad se recurre, en la mayoría de los casos, a fortificación con marcos de acero y hormigón armado.Los piques de traspaso son también labores conflictivas que requieren en muchos casos revestimientos con planchas de acero o rieles insertos en hormigón.

CONCLUSIONES

El block caving es un método de producción masivo, de gran escala, aplicable a yacimientos de baja ley; sin embargo, el cuerpo mineralizado debe cumplir algunas condiciones específicas para implementar de manera exitosa el método. Éstas son:

o El yacimiento debe ser masivo y de grandes

dimensioneso Debe presentarse con una fuerte inclinación

(ojalá perpendicular a la horizontal) y ser largo vertical y horizontalmente

o Luego del socavamiento en los niveles de

hundimiento, la roca debe ser capaz de hundir sin mayores problemas y fragmentarse hasta lograr un tamaño manejable.

o Las condiciones de la superficie deben

permitir la subsidencia del área hundida.


Éste método utiliza la gravedad y los esfuerzos internos de la roca para romper el mineral de bloques de gran dimensión y dejarlo de un tamaño adecuado para su manipulación. Al aprovechar estas fuerzas naturales, bajas tasas de perforación y tronadura son necesarias al momento de producir. Lo anterior hace que el block caving sea un método con altas tasas de producción y bajos costos.

Sus principales ventajas y desventajas se presentan a continuación [1]:

Ventajas

o Método de bajo costo y muy económico

o Es altamente productivo.

o La producción es centralizada y permite

supervisión eficiente. Esto conlleva a altos índices de productividad por trabajador y buen control de seguridad.

o El control de la ventilación es simple en

comparación con otros métodos.o Es aplicable a yacimientos de baja ley.

Desventajas:

o La preparación de los bloques requiere de

mayor tiempo y dinero que otros métodoso Mantener las galerías en el área de extracción

puede ser costoso y puede interferir con la producción

o Aumentar la producción puede tomar mucho

tiempo por el largo tiempo que se demora la preparación de nuevos bloques.

o El detener la extracción de mineral por un

período considerable de tiempo puede

traducirse en la pérdida total de los túneles de desarrollo del área involucrada si se generan problemas de peso en ese punto

o La recuperación de mineral puede ser baja si

se dan condiciones adversas y hay un peligro constante de perder mucho mineral si no se implementa una política de extracción adecuada

o El método es inflexible. Es muy difícil

cambiar a otro método de extracción.

REFERENCIAS

[1] Richard Gertsch y Richard Bullock, Techniques in Undergroung Mining, 1998

[2] David Chambers, Ph.D., Center for Science in Public Participation, Block Caving Memo, Marzo 2008

[3] William Hustrulid y Richard Bullock, Underground Mining Methods, 2001

[4] Allan Moss,General manager Rio Tinto Copper,Projects, An Introduction to Block and Panel Caving, Marzo 2011

[5] G.P. Chitombo, Australian Centre for Geomechanics, Cave mining — 16 years after Laubscher’s 1994 paper ‘Cave mining – state of the art’, Abril 2010

[6] Ronald Guzmán, Cátedra Minería Subterránea sección 1, 2011


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