INTRODUCCIÓN

La selección del método de explotación en el pasado se basaba en las técnicas aplicadas en otras minas y en experiencias conseguidas en yacimientos similares, obtenidas en un entorno próximo. Hoy en día, para abrir una mina o para cambiar el método de explotación, es de suma importancia el monto de capital de inversión requerido; es necesario así mismo ejecutar un proceso de selección del método de explotación mediante un análisis sistemático global de parámetros específicos del yacimiento como son: geometría del yacimiento, distribución de leyes, propiedades geomecánicas del mineral y la roca encajonante, aspectos económicos, limitaciones ambientales, condiciones sociales, etc.

La variabilidad de esos parámetros y las dificultades de cuantificación total de los mismos impiden el desarrollo de reglas rígidas y esquemas precisos de explotación aplicables a cada yacimiento particular, diferentes autores han realizado numerosas clasificaciones desde varios puntos de vista, por ejemplo:

Desde un punto de vista del sistema de excavación

Desde el punto de vista del sostenimiento

Desde el punto de vista del transporte

Desde el punto de vista del arranque

Cámaras y pilares (generalidades): el método consiste en dejar secciones de mineral como pilares para mantener los espacios abiertos durante la explotación. Las dimensiones de las cámaras y pilares dependen de las características del mineral, de la estabilidad de las cajas, del espesor de la sobrecarga y de las tensiones sobre la roca. La geometría de los pilares puede ser de forma circular, cuadrada, rectangular o en largos muros paralelos. Este método generalmente se aplica en yacimientos de origen sedimentario, con inclinaciones menores a 30º. Dentro de este método se considera el minado de cámaras y pilares con relleno.

En los métodos de explotación con sostenimiento natural se incluye a los yacimientos que por naturaleza del macizo rocoso, que comprende la roca encajonante y mineralización, en donde el arranque se realiza abriendo cámaras o aberturas, que debidamente dimensionadas se sostienen por sí mismos; es decir, sin que intervengan medios de sostenimiento artificial o relleno.

Según las consideraciones geomecánicas y las dimensiones del yacimiento; se pueden considerar dos grupos de métodos de explotación, el denominado de cámaras y pilares y el de las cámaras vacías, que realmente solo se diferencian en el tamaño de las cámaras y en la forma de realizar el arranque del mineral. En realidad en los dos métodos se prepara la mina en forma de cámaras permanentes.

MINADO POR CAMARAS Y PILARES

Este método es conocido también con el término “room and pillar” donde el mineral es excavado la mayor parte del yacimiento minable, dejando parte del mineral como pilares o columnas que servirán para sostener el techo. El mineral debe extraerse en la mayor cantidad posible, ajustándose las dimensiones de las cámaras y pilares a las propiedades de la presión y resistencia. El mineral que queda como pilar puede recuperarse parcial o totalmente, reemplazando a los pilares por otro material para el sostenimiento del techo o puede extraerse en forma de retirada, abandonando los tajeos para el posterior hundimiento del techo; caso contrario generalmente los pilares con mineral se pierde.

El factor económico más importante en éste método es el tamaño de los pilares y la distancia entre ellos, este factor depende de:

-Estabilidad de la caja techo

- estabilidad del mineral

- Potencia del yacimiento

- Presión de la roca suprayacente

- Discontinuidades geológicas como fallas, pliegues, etc.

- Forma y tamaño del pilar, etc.

El esquema de la disposición de los pilares necesita una buena planificación pudiendo ser de forma circular, rectangular, cuadrado, irregular o corrido.

Además es recomendable dejar espacios uniformes en las cámaras y pilares; sin embargo en yacimientos pequeños a menudo se presenta una distribución aleatoria de los pilares.

Las dimensiones de los pilares se pueden determinar por comparación entre la resistencia y la tensión vertical media que actúa sobre ellos.

La resistencia de los pilares depende del material del cual está constituido (roca o mineral), de las discontinuidades geológicas (fallas, estratificación, juntas, etc.) que los atraviesan. Con relación a la resistencia del material, lo que interesa es a la compresión simple, que depende entre otros factores de la forma y tamaño del pilar; mientras que en lo referente a las discontinuidades interesa su orientación y resistencia al corte.

Cuando el pilar es atravesado por una discontinuidad cuya resistencia al corte es inferior al buzamiento, se producirá la falla en el pilar, a menos que se coloquen elementos de contención adecuados. En estos casos las dimensiones del pilar no se debe fijar por comparación entre la carga a que está sometida y su resistencia, en todo caso se establece de tal forma que la discontinuidad no quede descalzada es decir, el diseño de los pilares es principalmente geométrico y se basa en el levantamiento geotécnico de las discontinuidades del yacimiento.

CONSIDERACIONES PARA SU APLICACIÓN:

- En cuerpos con buzamiento horizontal, normalmente no debe exceder de 20º.

- El mineral y la roca encajonante deben ser relativamente competente.

- Mineral que no requieren de clasificación en la explotación

- En depósitos de gran potencia y área extensa.

En caso de que el terreno sea bueno se explota con cámaras de mayor dimensión y si el terreno es malo se debe dejar pilares de mayor dimensión.

Con relación a la estabilidad del techo es posible manejar con las dimensiones geométricas de las cámaras y pilares. Si se aumenta el número de pilares o se reduce la luz de cámaras, es posible compensar la calidad del terreno, implicando esto pérdida del mineral, por tal razón se procura aumentar la estabilidad de las cámaras y pilares empleando el sistema de empernado.

Este método es de aplicación universal en yacimientos tabulares sedimentarios, como pizarras cupríferas, yacimientos de hierro, carbón, potasio y otros. En el Perú se usa en pocas minas, por el cambio brusco del rumbo y buzamiento de las estructuras mineralizadas. En yacimientos con potencia considerable se usa en combinación con el método corte y relleno, dejando pilares para el sostenimiento del techo.

La relación entre la cantidad extraída de las cámaras y la obtenida en los pilares depende, del ancho de las cámaras y los pilares, también del arranque total de los pilares o de sólo una parte de ellos.

Se sobreentiende que el ancho de las cámaras se elige de acuerdo a la resistencia y la composición de la roca del techo, así como de la presión ejercida sobre éste. En parte también es decisiva la longitud de las cámaras y la rapidez con las que se arranca el material de las mismas.

El ancho de la cámara desempeña un papel importante, donde las cámaras son anchas los pilares también deben serlo, ya que la presión de las capas del techo que actúan sobre el mineral se transmite en a éstos.

LABORES DE PREPARACIÓN:

En los yacimiento horizontales o casi horizontales, las labores de desarrollo y preparatorias consisten en la ejecución de pozos de izaje, chimeneas de ventilación y de servicios, galerías de acceso y vías para el transporte del mineral, echaderos de mineral, talleres de servicios, bodegas, etc. Algunas de estas labores pueden ejecutarse simultáneamente al arranque o explotación. Los yacimientos inclinados se dividen verticalmente en niveles con galerías de transporte a lo largo de la caja piso.

Es común preparar el sector mediante un sistema de galerías paralelas es decir, de galerías en dirección transversal, de tal modo que por una de estas galerías penetra la corriente de ventilación y por la segunda sale; una galería sirve para transporte mientras que la otra se emplea para tránsito de personal. En minas grandes y donde las necesidades de ventilación son mayores, se llega a trazar incluso cuatro galerías o más, una al lado de otra, en la mayoría de los casos la separación entre estas galerías es de 10 a 20 m. Este sistema de trazar tres o cuatro galerías no sólo hace posible una extracción considerable, sino que garantiza también la entrada de una gran cantidad de aire aun cuando la sección de las galerías sea relativamente pequeña, lo que es de uso primordial en caso de accidentes, proporcionando una seguridad mayor que otros métodos, en los que existan menos galerías de escape.

La sección de las galerías se determina teniendo en cuenta en primer lugar la cantidad de aire necesaria, la forma de los vagones o tipo de equipo para transporte a emplearse, así como la estabilidad del techo.

UBICACIÓN DE LAS CÁMARAS

En la mayoría de los casos, las cámaras se sitúan perpendicularmente a las galerías principales, pero con frecuencia se trazan de tal forma que su pendiente sea favorable para el transporte de los vagones, o con otros equipos adecuados como el empleo de camiones y volquetes en minas sin rieles.

Las galerías transversales se trazan a menudo en ángulo recto con las principales. En ciertos casos, y con objeto de que posean una inclinación favorable para el transporte, se avanzan formando un ángulo distinto de 90º con las galerías principales.

Las cámaras no se abren a sección plena a partir de las galerías principales, sino se realiza en primer lugar una entrada estrecha y cuando se ha llegado a una determinada distancia de la galería principal se prosigue con el avance a sección plena. De esta forma quedan a lo largo de la galería macizos de mineral, los que sirven de protección.

A lo largo de las galerías de dejan además unos macizos de protección anchos, así como entre las distintas series de cámaras.

La longitud, la dirección, la inclinación y desarrollo de los accesos tiene una marcada influencia sobre la disposición de las cámaras. Éstas se eligen de tal manera que el frente de arranque sea paralelo, de modo que facilite la extracción del mineral.

De la descripción se desprende que para la aplicación de este método se supone la existencia de capas del techo y de un mineral extraordinariamente resistente. Además, existe la condición que la potencia sea considerablemente grande, por lo que este método no se puede utilizar en yacimientos cuya potencia es menor a un metro, en yacimiento polimetálicos. La condición principal es que tenga una capa techo resistente, la cual permitiría una recuperación de hasta 90%.

CÁMARAS Y PILARES SISTEMÁTICOS:

Este método es denominado también “open stope rooms with regular pillars” y es el más generalizado, los pilares se disponen según un sistema geométrico regular. Puede ser de sección cuadrada, circular o rectangular, y constituye como columnas a modo de muros continuos que separan las cámaras.

La función del pilar en este método es el de soportar la capa techo de la cámara, que puede no coincidir con el techo del yacimiento generalmente. Se diferencia del método de las cámaras vacías no solo por la dimensión de las cámaras sino porque durante el arranque se van elaborando pilares y abriendo los huecos, en un ciclo continuo.

En general este método, que también puede denominarse hueco y pilares o de huecos permanentes, es de aplicación indicada en yacimientos echados, con pendientes de 0º a 30º. Tanto el mineral como el techo deben tener suficiente resistencia. Si el techo no es muy sólido hay que acondicionar las dimensiones de las cámaras y pilares, con ello las pérdidas de mineral son mayores.

La preparación de la explotación consiste sólo en perforar dos galerías o guías de cabeza y de base, y entre ellas, galerías de penetración en el macizo así delimitado, unas paralelas a las guías y otras perpendiculares, entre las que se dejan los pilares, que se arrancan hasta alcanzar las dimensiones calculadas o bien se abren cámaras separadas por pilares alargados en forma de muros.

Naturalmente este método debe adaptarse a las condiciones de cada yacimiento, por lo que surgen realmente tantas variantes como yacimientos.

CÁMARAS CON PILARES OCASIONALES:

El método es conocido también con el término de “open stope with random pillars” cuya característica es de que se procura dejar los pilares en las zonas estériles o de más baja ley del yacimiento; o donde las condiciones tensionales y la debilidad del techo lo exijan, por lo que su distribución es aleatoria y ocasional. Esta irregularidad en la geometría del método impide la normalización de los sistemas de explotación, y con ello sube el costo.

Además, en minas profundas no es conveniente dejar pilares ocasionales que son causa de fuertes concentraciones de tensión, que dan lugar a trastornos, como grietas irregulares de las cajas, hundimientos súbitos, fenómenos de estallido de rocas, etc.

En consecuencia es un método que resulta anticuado y sólo aplicable en condiciones muy favorables.

MINADO

El ciclo de minado consiste en perforación, voladura, ventilación, carguío y transporte; ocasionalmente suele realizarse el sostenimiento temporal o permanente.

Perforación: en los yacimientos horizontales la excavación del mineral puede compararse a la perforación de las galerías, donde la altura y el ancho del tajo corresponden a las dimensiones de la galería.

La maquinaria utilizada depende del espacio disponible y de los accesos a los tajeos, comprende desde perforadoras con empujadores neumáticos hasta “jumbo”, “cavo drill” con brazos hidráulicos y “jackleg”.

En los yacimientos inclinados, el arranque empieza desde la galería de transporte, avanzando hacia arriba. La perforación se realiza con máquinas sobre empujadores neumáticos y el tajeo avanza con taladros laterales. La explotación es difícil y trabajosa y debido a su inclinación la mecanización también lo es. Para conseguir una perforación eficaz, es necesario recurrir a la perforación con taladros largos desde una galería central inclinada.

En mantos con mayor potencia no se puede perforar de una sola vez toda la altura del yacimiento mineralizado con los “jumbo” o perforadoras disponibles. Entonces se divide el manto verticalmente y la parte inferior se extrae mediante explotación por bancos. La maquinaria utilizada comprende desde vagones perforadores sobre orugas hasta perforadoras para banqueo (“bencher”), según el espacio disponible y la inclinación. También puede perforarse los bancos desde el frente con perforadoras sobre empujadores neumáticos o sobre “jumbo”.

En la explotación por cámaras y pilares hay que considerar también, además de la perforación de explotación, el empernado de techo para tener mayor estabilidad, generalmente en zonas fracturadas; esto hace que un “cavo drill” o “boomer” 121 con los brazos hidráulicos BUT 10 y otros similares sean soluciones muy atractivas.

Carguío y transporte: en los estratos horizontales, el mineral volado se carga directamente de los frentes de los tajos.

Se utilizan diversas máquinas de acarreo y transporte, pero con frecuencia se emplean maquinas sobre ruedas neumáticas porque se requiere una gran movilidad ya que el equipo se desplaza frecuentemente de un frente a otro.

Los “scooptram” sin una alternativa de mecanización muy interesante para la operación de carga-transporte-descarga, con los que se obtiene un alto rendimiento y productividad.

En niveles de explotación convencional y en yacimientos inclinados, el rastrillo de arrastre es el principal equipo de acarreo de mineral sobre el suelo en pendiente del tajeo, hasta un lugar en el que se efectúe la carga a las vagonetas.

VARIANTES DEL MÉTODO DE MINADO DE CÁMARAS Y PILARES

Se puede considerar tres sistemas en la aplicación de este método de cámaras y pilares, según la pendiente del filón o capa: el primero se aplica al caso de pendiente horizontal y pseudohorizontal, o en el caso de rebanadas en yacimientos de gran potencia, el segundo sistema se aplica en caso de pendientes entre 20º y 30º y lleva consigo una variación en el transporte para adaptarlos a las pendientes, en el tercer sistema de capas de 30º a más el arranque y las cámaras se disponen de modo que la pendiente de los pisos y rampas se adapten al material de transporte.

Como resumen se puede indicar los sistemas diferentes que pueden ser usados:

a) El más común es en mantos horizontales y en depósitos inclinados de mayor potencia.

b) En cuerpos con buzamiento de 20º a 30º, los tajeos se prosiguen en forma ascendente, en gradines o escalera.

c) el tercer sistema es adaptado a tajeos horizontales para cuerpos inclinados (forma de escalera descendente)

A. MINADO HORIZONTAL

A este método se denomina también con el término “room and pillar” para mantos horizontales. Se aplica en depósitos con buena potencia.Perforación y desarrollo: se requiere un desarrollo mínimo para el minado; se desarrollan accesos para el transporte y las áreas de trabajo, y pueden ser combinados a medida que se avance con el minado actual.

Producción: en el yacimiento horizontal las operaciones de perforación y disparo pueden ser comparadas con una galería de frontón, donde el ancho es la cámara y las demás dimensiones son similares a las dimensiones de la galería.

El acceso determina la mecanización del equipo a ser usado (“jumbo” para alta productividad). En cuerpo de mayor potencia, el desarrollo es por etapas, normalmente la extracción se inicia desde la parte superior, teniendo en cuenta el límite de la caja techo; el mineral excedente se recupera por banqueo en una o dos etapas. Perforadoras sobre orugas son recomendables para perforación vertical o inclinada.

Carguío y transporte: el mineral derribado puede ser transportado usando diferentes tipos de equipos (“scooptram”, winches, camiones de bajo perfil, LHD, etc.) dependiendo del espacio y distancia de transporte.

Comentarios:

- en cuerpo horizontales o muy próximos a la horizontalidad, es necesario utilizar equipos mecanizados ya que favorecen al productividad.

- el diseño de la mina es esquemático y se puede atacar a partir de varios frentes para el minado.

- El acceso y la comunicación son simples.

- Por su eficiencia es flexible a los precios del mercado internacional.

- La moderna ciencia de la mecánica de rocas es aplicada ampliamente en estos problemas.

B. MINADO INCLINADO

Denominado también con el término “room and pillar” para mantos inclinados.

Preparación y desarrollo: en un cuerpo inclinado generalmente se requiere desarrollar varios niveles horizontales a intervalos específicos. En cada nivel se preparan galerías para el transporte de mineral siguiendo la caja piso del

yacimiento, las cuales sirven para acceso y transporte del mineral hasta los echaderos.

Producción: el minado se procede de abajo hacia arriba, de nivel a nivel a los largo de la inclinación; normalmente con equipos convencionales. Se recomienda en lo posible mantener la superficie pareja.

Carguío y transporte: puesto que el piso es inclinado, la limpieza se ejecuta con rastrillos hacia los echaderos para luego transportar con carros mineros hacia los piques de extracción.

C. MINADO EN FORMA DE ESCALERA

Generalmente se aplica en depósitos inclinados.

Preparación y desarrollo: se adapta a equipos “trackless”, en vez de carros sobre rieles, los equipos tienen maniobrabilidad y son capaces de viajar en pendientes y rampas dentro de sus márgenes; a mayores pendientes se seleccionan equipos que coincidan en la gradabilidad de este.

Producción: la extracción se inicia a partir de galerías horizontales desde un punto a varios accesos, con rampas que comunican los accesos, las cuales permiten el control del límite del depósito. Las galerías son ejecutadas en forma secuencial al nivel inferior y el minado es en forma descendente. Durante el minado parte del mineral debe ser dejado como pilares; la perforación puede ser convencional o con “Jumbo” en galerías de sección regular.

Carguío y transporte: se procede de la misma manera que en el método horizontal con equipos LHD.

Comentario: es un desarrollo reciente, aunque esta aplicación en cuerpos inclinados no pueda ser garantizada.

Observaciones:

La explotación en cámaras y pilares de capas horizontales permite el empleo de equipo mecanizado, hay muchos lugares de trabajo accesibles y la facilidad de las comunicaciones da buenas posibilidades de emplear maquinaria móvil para una explotación eficaz.

Por el contrario, en los estratos inclinados la perforación es especialmente difícil de mecanizar, y el laboreo en éste caso es especialmente duro y difícil, se efectúa principalmente con perforadoras livianas. La mina que aplicó este método en el Perú es la mina Condestable.