Los planes de extracción estratégicos en minería, dada su naturaleza a largo plazo, son susceptibles a diversas fuerzas internas y externas, como nuevos hallazgos sobre el yacimiento, avances técnicos y cambios en la economía o el mercado. Para asegurar planes de extracción estratégicos y tácticos robustos, los mineros subterráneos y de hundimiento por bloques deben contemplar todos los escenarios operativos posibles y elegir aquellos que optimicen el potencial y el valor de sus operaciones.
Durante los últimos años, los métodos de minería de hundimiento han generado un interés creciente, a medida que disminuye el número de nuevos depósitos minerales cercanos a la superficie. Esto ha impulsado un incremento en la investigación, mejorando la comprensión de estos procesos. Así, muchas compañías han seleccionado el método de Block Caving para facilitar la transición de operaciones a cielo abierto a operaciones subterráneas a gran escala.
¿Qué es el Método Block Caving?
En la explotación de minas, el término "caving" se refiere a cualquier operación diseñada para provocar el hundimiento de la roca, utilizando los esfuerzos naturales que ejercen los terrenos alrededor de la zona de interés. El método de hundimiento por bloques es un enfoque sumamente eficiente en la minería subterránea.
En términos sencillos, el proceso consiste en cortar toda un área por debajo del yacimiento, lo que provoca que el mineral de arriba se fragmente y caiga por su propio peso. Con el método de hundimiento por bloques, el material fluye simultáneamente desde varios puntos de extracción distribuidos por toda el área de minado. Este enfoque coordinado ayuda a mantener el mineral en constante movimiento, al tiempo que limita la cantidad de roca no deseada que se recoge.
Una ventaja clave de la "huella" (área física) del hundimiento por bloques, con una relación longitud-altura inferior a 0.5, es su diseño compacto. Este diseño proporciona flexibilidad en la planificación de sistemas críticos como el manejo de materiales y la ventilación. Mantener estos sistemas cercanos, aunque separados, reduce el riesgo de daños o interrupciones causadas por la tensión en los bordes del hundimiento. Esta ubicación estratégica permite operaciones más seguras y confiables, y ayuda a gestionar el mantenimiento y los costos de manera más efectiva.
Campo de Aplicación y Viabilidad
Los métodos de explotación mediante hundimiento son una excelente opción para cuerpos mineralizados masivos de baja ley, especialmente cuando la explotación a cielo abierto no es viable. Su aplicación no se limita a proyectos mineros completamente nuevos (greenfield), ya que en ocasiones, tiene sentido cambiar el método de explotación en minas con muchos años de operación. Esto incluye:
- Operaciones de tajo abierto próximas al cierre.
- Proyectos subterráneos de menor ley.
- Minas subterráneas agotadas con halos de baja ley.
Básicamente, el método de explotación por hundimiento es un sistema normalmente usado para extraer depósitos profundos, masivos, de bajas leyes en minerales como Cu, Mo y Fe. Hoy en día, la producción masiva de menas subterráneas, bajo condiciones favorables, es una de las más eficientes y con bajos costos de minería. Este método se utiliza en numerosos yacimientos de grandes dimensiones, generalmente de alto tonelaje, que cubren una extensa área y son muy potentes, lo que le confiere un campo de aplicación muy amplio.
Teóricamente, se puede aplicar en cualquier tipo de roca no demasiado resistente a la tracción y cualesquiera sean las características de la roca encajadora, aunque es preferible que la resistencia de la roca que se explota sea menor que la de la roca encajadora. Una variedad de factores, como el flujo gravitacional, son importantes para asegurar una actividad minera eficiente. Sin embargo, cada uno de estos factores está intrínsecamente relacionado con las características geológicas y geotécnicas del yacimiento.
Principios Fundamentales del Hundimiento por Bloques
Los esfuerzos que actúan a cierta profundidad en un yacimiento se originan en el peso de las rocas hasta la superficie y en fenómenos externos, como los movimientos horizontales debido a la tectónica de placas en la corteza terrestre. Un macizo rocoso permanece en equilibrio hasta que se crea una cavidad lo suficientemente extensa en su interior, rompiendo el equilibrio y generando una redistribución de esfuerzos a su alrededor. La estabilidad de esta cavidad depende de sus dimensiones, la competencia de la roca y los esfuerzos existentes en el área. Si la resistencia de la roca no es suficiente para soportar el cambio de solicitación, esta se socavará hasta llenar la cavidad con material fragmentado de distintas densidades. Una vez llena, se genera una fuerza de reacción que restablece el equilibrio.
El método de hundimiento por bloques se basa en el principio de que, si se extrae el mineral fragmentado a medida que se socava, el equilibrio no se restablece y la socavación continuará hasta la superficie. Consiste en crear una cavidad para que la dinámica de desplome no se detenga, extrayendo el mineral por una malla de puntos ubicados en la base. De esta forma, el mineral que está por encima (millones de toneladas) queda sin apoyo, y las fuerzas de gravedad actúan sobre esta masa produciendo una fractura sucesiva que afecta al bloque completo. Finalmente, debido a las tensiones de la roca, se produce la fragmentación del material, el cual puede extraerse por medio de piques o mediante cargadores.
Es crucial no solo que el hundimiento ocurra, sino que el mineral presente una granulometría adecuada. La fragmentación de la roca es provocada más por las fatigas de tracción que por las de compresión, lo que tiende a generar un mineral mejor fragmentado en el centro del bloque que en los extremos. Esto tiene la ventaja de evitar la mezcla del mineral útil con el material proveniente de la roca encajadora. También es crucial controlar cómo se extrae el mineral para mantener un límite constante en ángulo entre el mineral y la roca estéril.
Diseño y Operación del Block Caving
Niveles de Diseño Clave
El diseño minero para el hundimiento por bloques implica varios niveles interconectados:
- Un Nivel de Hundimiento o Socavación (UCL).
- Un Nivel de Producción (NP).
- Un Sistema de Traspaso y Reducción (ubicado en el NP o en un Nivel Intermedio de Traspaso o Control).
- Un Sub-Nivel de Ventilación (SNV).
- Un Nivel de Transporte.
Malla de Extracción
La malla de extracción o malla de tiraje es la disposición geométrica de los puntos por donde se extrae el mineral en el nivel de producción. En la zona de explotación, la extracción se realiza a través de numerosos puntos dispuestos en una malla que cubre el área hundida. Para el diseño de estas mallas se han utilizado diferentes formas: cuadradas, rectangulares y triangulares. La separación de los puntos de extracción depende fundamentalmente de la granulometría del mineral obtenido, de la socavación natural y de los equipos usados para la extracción.
Altura de Socavación
La altura de socavación se define como la distancia vertical entre el piso del nivel de hundimiento y la base suspendida del bloque resultante de la tronadura. En la práctica, esta altura debe superar la altura del cono formado por el ángulo de reposo del mineral. El objetivo es evitar que la roca fracturada, acumulada a partir del espacio limitado por los bordes de las chimeneas, no alcance una altura de socavación producida por la tronadura. De lo contrario, la roca acumulada serviría de apoyo al bloque socavado, impidiendo o dificultando el desplome posterior.
La altura del cono formado por el ángulo de reposo depende fundamentalmente de la distancia entre los puntos de extracción: cuanto mayor sea esta, mayor será la base del cono y, por ende, su altura. En la práctica, este factor está limitado por el alcance de la barrenadura, ya que un aumento en la altura del cono requeriría perforaciones de mayor longitud para superarla.
Altura Óptima del Bloque
En depósitos de gran altura, la explotación se realiza en diferentes niveles a medida que los niveles superiores se agotan. La separación entre dos niveles sucesivos está asociada al tonelaje extraído por cada punto de extracción y, en consecuencia, se relaciona con la vida útil de la infraestructura del nivel. Debido al alto costo de preparación de un nivel de producción y de un bloque en particular, la altura del bloque es una de las decisiones más importantes en la planificación de la explotación por hundimiento, requiriendo fuertes recursos de ingeniería antes de su determinación. Aunque la variación de las alturas utilizadas ha sido muy grande, en los últimos años se ha observado una tendencia a aumentar la altura de las columnas mineralizadas. Esta mayor altura se justifica por:
- Para justificar los altos costos de desarrollos primarios y secundarios.
- Para asegurar una buena socavación.
Los principales factores directamente relacionados con la altura de los bloques son:
- Amortización de la infraestructura.
- Estabilidad del nivel de producción.
- Dilución y pérdida de mineral.
- Distribución de leyes en altura.
- Fragmentación.
- Planificación.
- Riesgo de no extracción.
- Experiencia mundial.
Variantes y Enfoques Avanzados de Hundimiento
Hundimiento por Paneles (Panel Caving)
A diferencia del hundimiento por bloques, que extrae grandes bloques de roca en una única ubicación, el hundimiento por paneles divide el proceso en paneles más pequeños. El método de explotación por Panel Caving se define como el derrumbamiento de paneles por corte inferior, donde el mineral se fractura y fragmenta gracias a las tensiones internas y el efecto de la gravedad. Por consiguiente, se necesita un mínimo de perforación y tronadura en la extracción del mineral. La palabra "panel" se refiere al sistema de explotación en el que el yacimiento se divide en grandes paneles de varios miles de metros cuadrados, cada uno cortado por la zona inferior mediante la excavación de una ranura horizontal con tronadura.
En los métodos de socavación avanzados, el ritmo de avance depende de la velocidad de construcción de los conos de extracción (drawbells), que son túneles especiales donde se recoge el mineral, y de la longitud del frente de socavación. En los métodos posteriores a la socavación, este ritmo está determinado principalmente por la velocidad de construcción de los conos de extracción, haciendo que los hundimientos post-socavación sean más independientes de la geometría del frente. El hundimiento por paneles puede ser un método de extracción sumamente eficiente, y las huellas de mayor extensión permiten un mayor número de frentes de hundimiento.
Esquemas de Explotación en Panel Caving
La explotación de un área en Panel Caving se puede realizar siguiendo uno de los siguientes esquemas:
- Paneles cuadrados o rectangulares: Se divide el área en paneles cuyas dimensiones se relacionan con la hundibilidad de la roca y parámetros operacionales y económicos. Requiere barreras o pilares entre bloques hundidos para minimizar la dilución.
- Paneles continuos de extremo a extremo: El hundimiento es un proceso continuo a lo largo del área. Se deja una barrera de contención o pilar para evitar que el estéril del panel agotado diluya el mineral de la nueva explotación.
- Hundimiento continuo en ambas direcciones: Sin barreras ni pilares. Este frente de hundimiento continuo previene la formación de puntos o líneas de alta presión, reduciendo problemas de estabilidad y permitiendo flexibilidad para variar los ritmos de producción.
Una vez definido el panel, se inician los trabajos de preparación de galerías, que incluyen:
- Galería de transporte.
- Galería de traspasos.
- Galería de hundimiento.
- Galerías de producción.
- Galerías de ventilación, entre otras.
Panel Caving con Extracción Mecanizada LHD
El hundimiento o la incorporación de nuevas áreas a la producción se realiza de forma continua, por puntos de extracción, a diferencia del método convencional donde el hundimiento es discreto. Sus principales características de diseño consideran la utilización de zanjas (15 m de largo, 12 m de ancho en su parte superior) en reemplazo de los buzones. En el nivel de producción, existe una serie de galerías paralelas (calles) separadas 30 metros entre sí, con una sección generalmente de 3,6 x 3,6 m, las cuales son interceptadas cada 15 m por estocadas de carguío de sección similar en un ángulo de 60 grados, permitiendo una mayor facilidad de movimiento al equipo LHD.
Macrobloques
Los macrobloques constituyen una técnica de hundimiento utilizada en la mina Chuquicamata de Codelco en Chile, diseñada para una producción elevada (140 000 toneladas por día). El uso de macrobloques permite aumentar la producción de forma gradual.
Hundimiento Inclinado (Inclined Caving)
El hundimiento inclinado (inclined caving) es un enfoque diferente de explotación subterránea. En lugar de disponer los puntos de explotación en un único nivel horizontal, este método sitúa puntos de extracción (zonas donde se recoge el mineral) en varios niveles que siguen la pendiente natural del yacimiento. Esta configuración permite trabajar con la forma del cuerpo mineralizado. Observado desde un lado, el hundimiento inclinado muestra varios niveles apilados con puntos de extracción distribuidos a lo largo de cada uno, similar a cómo se ve el hundimiento por subniveles en una sección transversal. Esta combinación de diseños ayuda a los operadores mineros a controlar el avance del hundimiento y proporciona un acceso confiable al mineral. El hundimiento inclinado funciona bien en yacimientos que no tienen una forma simple o que están inclinados a ángulos moderados, aplicando tanto a configuraciones de paneles como de bloques.
Desafíos y Consideraciones Críticas
La implementación de los métodos de hundimiento presenta desafíos significativos en los aspectos económico, técnico-operativo y ambiental, que deben gestionarse para asegurar una extracción eficiente y segura. El modelo tradicional de hundimiento por bloques se ve cuestionado cuando la economía minera y la geometría del yacimiento comienzan a permitir huellas de mayor extensión, ya que este método se basa en bloques equidimensionales y una socavación completa.
Aspectos Geotécnicos y Geológicos
Las características de la roca son un factor esencial del comportamiento del mineral frente al hundimiento. Es necesario no solamente que el hundimiento ocurra, sino que además el mineral presente una granulometría adecuada. Las condiciones geotécnicas del macizo rocoso, como su competencia y los esfuerzos inducidos, pueden generar problemas geotécnicos importantes.
Estabilidad y Gestión de Riesgos
El éxito en el hundimiento de un panel, independientemente de las características de hundibilidad de la roca, depende de factores fundamentales:
- La base del panel deberá fracturarse completamente. Si quedan pequeñas áreas sin quebrar, actúan como pilar, transmitiendo grandes presiones desde el nivel de hundimiento hacia el de producción, lo que puede romper el pilar existente entre ellos y afectar completamente la estabilidad de las galerías del nivel de producción, incrementando los costos. Esto se evita con un diseño adecuado de perforación y un correcto carguío de los tiros. Si se verifica la existencia de un pilar, se interrumpe el hundimiento para eliminarlo.
- La altura de socavación inicial proporcionada por la tronadura debe ser tal que no se produzcan puntos de apoyo del panel que impidan o afecten el proceso de socavación natural inmediata. Para evitar posibles puntos de apoyo, es necesario determinar previamente la altura que debe alcanzar la socavación producida por la tronadura.
Además, la gestión de la subsistencia del colapso controlado del mineral puede causar subsidencia en la superficie, lo que puede afectar infraestructuras y ecosistemas cercanos.
Eficiencia Operativa
En la parte técnico-operativa, el control de la fragmentación del mineral es crucial para el éxito de la explotación. La eficiencia en el manejo y transporte del mineral fragmentado es un desafío constante, al igual que el mantenimiento de un sistema de ventilación que garantice aire fresco en toda la mina subterránea.
Planificación Estratégica y Consultoría
Trabajar con un equipo experimentado de consultoría minera puede aportar una visión amplia a estos proyectos, basándose en lecciones aprendidas de numerosas minas y regiones, no solo de una operación. Esta exposición más amplia permite elaborar estudios de factibilidad más sólidos y adaptables, abarcando aspectos desafiantes como el modelamiento de costos, la estabilidad estructural, la ventilación y la dinámica del flujo de mineral.
PRESENTACIÓN CURSO BLOCK CAVING E LEARNING NUBE MINERA
Ejemplos Notables
- La mina Grasberg Block Cave (GBC) en Papúa (Indonesia) es un buen ejemplo del concepto de fábrica de roca.
- En Chile, los macrobloques constituyen una técnica de hundimiento utilizada en la mina Chuquicamata de Codelco, diseñada para una producción elevada (140 000 toneladas por día), permitiendo un aumento gradual de la producción.
- En Ecuador, el método Block Caving aún no se ha implementado. Sin embargo, en el proyecto Cascabel, debido a su yacimiento masivo de grandes dimensiones, baja ley y profundidad, se prevé implementar el método de Block Caving con una estrategia de socavación avanzada que implica un alto grado de programación y coordinación en el desarrollo de actividades en los niveles de socavación y extracción.
- También se menciona la mina Henderson (mina de molibdeno en EE. UU.) como otra aplicación de estos métodos.
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