DISEO DE MINAS SUBTERANEAS Y A CIELO ABIERTO1.-.INTRODUCCIONUno de los problemas que se plantean en la preparacin de una mina es definir el tipo de labores de acceso al criadero subterrneo, ya que stas pueden iniciarse con un pozo, una galera inclinada o por medio de rampas. Antes de tomar una decisin hay que considerar cuatro factores; la profundidad del criadero, el tiempo disponible para la preparacin, el costo y el tipo de transporte exterior que se elija.

Al aumentar la profundidad, el acceso por galeras inclinadas o rampas deja de ser interesante, pues su longitud es de tres a nueve veces la del pozo vertical. Ello no solo encarece su construccin, sino que tambin aumentan los gastos de transporte y conservacin.

El avance especfico de una galera inclinada puede ser de unos 23/30 m por semana con los mtodos convencionales (las perforadoras de plena seccin o topos" no se han generalizado an en este tipo de trabajos), aunque pueden llegar a lograrse hasta 8 m por da.

Si se elige el transporte con vagonetas y la extraccin por pozo vertical, los vagones se cargan en la galera de base del piso, a travs de un coladero, se transportan hasta el pozo y retornan vacos. No es un sistema tan flexible como el transporte con camiones. Sin embargo, la velocidad de transporte en el pozo es de 45 a 50 Km. /h en la mayor parte del circuito, con una duracin de "cordada" de 40 a 80 segundos para mover de 10 a 20 t de mineral. Cuando el criadero es profundo, el pozo es indispensable para extraer las grandes cantidades de mineral de una forma econmica.

Estudios completos sobre el transporte con camiones y galeras en rampa demuestran que ste es antieconmico a profundidades mximas comprendidas entre 180 y 240 m.

En depsitos de filones estrechos, en los que para abrir un paso a los camiones sera preciso franquear los hastales en las galeras, es mejor emplear vagonetas y profundizar un pozo desde el principio. Es posible realizar el transporte por galeras con pendiente 1/2 (planos inclinados), pero las velocidades mximas seran de 16 a 25 Km /h y, adems, las galeras tienen que ser rectas.

Por otra parte, las galeras con rampas en espiral se preparan bien en el muro, y as se evitan las prdidas por macizo de proteccin, necesarios al penetrar en el criadero con los planos inclinados. Tambin la dureza de las rocas, el exceso de agua, la presencia de arenas u otros inconvenientes obligan a desechar algunas soluciones tcnicas ms econmicas y a decidirse por el pozo vertical, que resiste mejor y es ms fcil de profundizar en terrenos falsos y difciles

Adems, los pisos se conectan verticalmente por medio de chimeneas de paso o de ventilacin segn los casos. Las chimeneas se perforan en la masa mineral por sistemas cclicos convencionales de perforacin, voladura y carga, o bien con unas perforadoras especiales de chimeneas. Las chimeneas cortas o coladeros, hasta 8 m., se suelen avanzar a mano de modo convencional. Las ms largas deben mecanizar su avance y dividir la seccin en dos compartimentos separados; el ms pequeo sirve para ventilacin y paso, y el mayor para almacenar la roca arrancada

2.- TERMINOLOGA FUNDAMENTAL EMPLEADA EN MINERA DE INTERIOR

SOCAVN: Galera de acceso desde el exterior horizontal con pendiente de drenaje RAMPA: Acceso inclinado. GUIA: Galera en mineral y en direccin. LATERAL o REAL: Galera en roca encajante y en direccin. TRANSVERSAL: Galera perpendicular a la direccin del yacimiento que une lateral y gua. CHIMENEA: Pocillo de conexin entre dos galeras, para ventilacin, paso de mineral personal. POZO: Excavacin vertical o de fuerte inclinacin para extraccin o acceso principal. NIVEL: Galera o grupo de galeras con acceso directo desde el pozo rampa de entrada a mina. SUBNIVEL: Galera desde la que se ejecutan labores de arranque y / o carga a una cota determinada. HASTIALES: Contactos del yacimiento con la roca encajante TECHO: Es el contacto con pendiente superior a 90 grados MURO: Es el contacto con pendiente inferior a 90 grados. CMARA: Hueco creado por la explotacin, limitado por pilares. CABEZA y BASE de cmara son las excavaciones superior e inferior de la cmara TALLER: En minera sedimentaria, frente de arranque. BARRENO o TIRO: Taladro perforado para voladura (tambin TIRO) MENA: Mineral con contenidos valiosos para su venta y transformacin ZAFRA: Material arrancado para su carga ENTIBACION: Sistema o tcnica de sostenimiento de huecos mineros CORRIDA: Longitud en direccin del yacimiento POTENCIA: Espesor de la mineralizacin BUZAMIENTO: Angulo que el deposito forma con la horizontal GEOTECNIA: Estado de la geometra de las discontinuidades y / o capacidad que los huecos tienen para autosoportarse FRACTURACION: Intensidad, frecuencia y forma de presentarse las separaciones entre planos de mineral DILUCIN: Porcentaje de estril o marginal que se extrae con el mineral S ELECTIVIDAD: Proceso de separacin del mineral entre las intercalaciones de estril y / o marginales CIELO: Limite fsico superior de un hueco o cmara PISO: Limite fsico inferior de un hueco o cmara PILAR BARRERA: Macizo de proteccin en los laterales de una cmara PILAR CORONA: Macizo de proteccin entre cmaras separando dos subniveles de explotacin BULONES: Pernos de anclaje o entibacin CUELE: Barrenos de apertura de una voladura REFUGIO: Abrigo para personal o maquinaria RELLENO: Material estril que ocupa y entiba un hueco explotado SOLERA: Parte inferior de un frente o tajo de explotacin VENTILACIN: Circuito de aire para la habitabilidad de personas o maquinas COMPUERTAS: Reguladores de la ventilacin y del relleno hidrulico NIVEL PRINCIPAL: Galera de transporte de mineral hasta pozos de extraccin ANCHURN: Ensanchamiento grande de una capa de carbn. ARTILLERO: El que coloca y dispara la pega ATACADOR: Vara de madera para comprimir en el barreno la dinamita. BARRENA: Vara metlica que unida al martillo perforador taladra la piedra con el objeto de introducir la dinamita en el hueco formado a tal efecto. BARRENISTA: Trabajador especializado en el avance de las galeras. BASTIDOR: Pieza de madera de 250 m de largo en forma de semicrculo utilizada para sostenimiento del techo en los talleres. BASCULADOR: Mecanismo donde por medio de un giro de 360 los vagones depositan el carbn y el material estril en tolvas para su clasificacin. GUA DE CABEZA: Tambin llamado corte. Es el lugar de una galera general o de servicio donde los barrenistas desarrollan su labor. CAMA: Se utiliza cuando un vagn ha salido de las vas y se ha volcado en la galera o en el exterior; en este caso se dice que el vagn ha dado cama. CARGADORAS: Especie de excavadoras que utilizan los barrenistas para cargar la pega (estriles y carbn que se desprende de esta) en los vagones CARGUE: Lugar donde se basculan los vagones para ser transportados al lavadero. Tambin es la zona inferior de un taller donde se cargan los vagones con carbn. CINTAS DE TRANSPORTE CONTINUO: Mecanismos que recorren algunas galeras de gran longitud que tienen la misin de transportar el carbn y los estriles hacia el exterior de la mina. COMPRESOR: Mquina que introduce el aire en la mina para respirar y servir de fuente de energa a cargadoras, martillos picadores, martillos, barreneros, adems para ventilar los cortes de gua y los talleres a travs de mangones. CONTRAATAQUES: Espacio que hay que formar para esquivar una falla que ha surgido dentro de una veta de carbn. CORTES DE GUA: Tambin llamado corte o avance de galera. Es el lugar donde los entibadores realizan las labores de desescombro y sostenimiento de la galera que avanza. COSTERO: En la minera del carbn, expresin que tambin se utiliza para denominar la roca suelta. CUADROS: Estructuras metlicas realizadas a base de patucos, trabancas y tresillones que sostienen las galeras de servicio y las generales. CUCHARILLA: Vara metlica que se utiliza para extraer pequeas piedras que han quedado en el barreno hecho por los barrenistas para la pega. CUELE, ZAPATERA, DESTROZA Y CONTORNO: Distintos lugares donde se barrena para producir el efecto deseado al dar la pega. CHAPA: Estructuras metlicas que se utilizan en los talleres para deslizar el carbn hacia los cargues. CHIMENEA: Mtodo de explotacin realizado por picadores con el fin de comunicar dos pisos de la mina. Normalmente las chimeneas se realizan perpendicularmente a las galeras. 3.- IMPORTANCIA DE LA MECNICA DE ROCAS EN LA MINERALa Mecnica de Rocas puede definirse como la ciencia que trata de la respuesta de las rocas a los campos de fuerzas presentes en su entorno fsico. Esta, como la mayor parte de las disciplinas encuadradas en las denominadas Ciencias de la Tierra, nace, por una parte, de la bsqueda de explicaciones cualitativas y cuantitativas a los fenmenos naturales y, por otra, como consecuencia de la actividad de los ingenieros que tratan de encontrar las mejores soluciones tcnicas para controlar el terreno en las minas y en las obras civiles y militares. La estabilidad de las excavaciones ha preocupado desde siempre a los mineros, que constantemente han tratado de establecer teoras racionales para su diseoLa presencia de discontinuidades constituye el factor esencial del comportamiento mecnico de un medio rocoso, cualquiera que sea la escala considerada: La destruccin de una probeta entre las placas de una prensa es consecuencia de la propagacin de las fisuras existentes en ella.. La rotura de los macizos rocosos se produce casi siempre segn superficies de discontinuidad preexistentes. El agua circula preferentemente por las discontinuidades, y las fuerzas hidrodinmicas que produce se orientan bsicamente de acuerdo con ellas. El desarrollo de la Mecnica de Rocas en cuanto a proporcionar soluciones a los problemas que tienen planteados la minera y las obras subterrneas, es mas bien pequeo. Las respuestas a los interrogantes que plantea la prctica de ingeniera se hallan con frecuencia aplicando el sentido comn, una vez que el marco geolgico-geotcnico que encuadra el problema ha sido suficientemente aclarado. En la realidad, por lo mucho que an tiene de subjetiva, puede considerarse a la Mecnica de Rocas casi ms como un arte que como una ciencia.Actualmente se est imponiendo el trmino Ingeniera de Rocas para designar la correcta combinacin de ciencia y experiencia que permite dar soluciones razonables a los problemas con que se enfrenta el ingeniero. Como sucede en todas las disciplinas, en la Mecnica de Rocas no existe una teora unitaria, sino soluciones ms o menos exactas a problemas individuales que al agruparse constituyen el cuerpo de esta materia.

3.1 LA MECNICA DE ROCAS EN LA MINERA SUBTERRNEA3.1.1. Eleccin del mtodo de explotacinEl control del terreno es una de las consideraciones mas importante para seleccionar la forma de explotar un criadero, por lo que debe ser tambin un aspecto primordial en cualquier estudio de mtodo de explotacin que se realice. Cada yacimiento, por sus caractersticas geolgicas consiste en una combinacin diferente de factores de los cuales se derivan unos determinados comportamientos del terreno al extraer el mineral. Los tipos de control del macizo rocoso que deben considerarse, varan desde el mantenimiento rgido del terreno mediante pilares, pasando por diferentes grados de cierre de los hastales y de descenso del techo, hasta el hundimiento completo de la masa mineral y del estril suprayacente

3.1.2. Diseo de estructuras subterrneas

Cuando se disea una nueva estructura subterrnea en roca o se evala la estabilidad de una ya existente, se deben determinar los aspectos siguientes:

Tensiones y deformaciones que se producen en la estructura como resultado de las fuerzas externas e internas. Capacidad de la estructura para resistir estas tensiones y deformaciones. El lmite de esta capacidad se estima generalmente por la tensin necesaria para producir la rotura de la estructura, aunque algunas veces la deformacin excesiva puede tambin constituir una limitacin.

Disear una estructura en roca es, por lo general difcil. Una de las principales dificultades proviene de que las rocas se hallan sometidas a tensiones desconocidas, debidas principalmente al peso del recubrimiento y a las fuerzas tectnicas. Aunque el estado tensional de la corteza terrestre podra estimarse suponiendo que es debido solamente al peso de los terrenos suprayacentes, las medidas efectuadas muestran que las estimaciones realizadas sobre esta base suelen ser completamente errneas.

El tercer problema surge al tratar de calcular las tensiones y deformaciones en diferentes partes de la estructura, ya que, a medida que la forma de las cavidades se hace ms compleja, o el macizo rocoso ms heterogneo, la estructura resulta difcil de tratar matemticamente, y es preciso recurrir a modelos numricos y medidas "in situ".

En el diseo inicial de una mina adems de la Mecnica de Rocas debe utilizarse la experiencia, sobre todo si sta ha sido adquirida en estructuras equivalentes, rocas similares y profundidades comparables a las de la mina que se trata de disear. Ms adelante, conforme se van recogiendo datos sobre las propiedades del macizo rocoso y sobre el campo tensional, las hiptesis de partida deben reconsiderar y el diseo modificarse en consecuencia. No hay otra alternativa para proyectar minas aunque en algunos casos se ha conseguido realizar buenos proyectos abriendo cmaras experimentales, galeras y pozos, para obtener informacin geolgica, mejores muestras para los ensayos de determinacin de las propiedades mecnicas de las rocas, y medidas del campo natural de tensiones en el macizo rocoso. La evaluacin de la estabilidad de estructuras rocosas existentes presenta menos dificultades, ya que, al tener acceso a la mina, pueden realizarse las observaciones y medidas que aconseja la naturaleza del problema.

4.- SELECCION DEL METODO DE EXPLOTACION

a) Factores determinantes en la eleccin del mtodo de explotacin: Geometra del yacimiento Forma (masiva, tabular, filoniana, etc..) Potencia y buzamiento Tamao Regularidad Aspectos geotcnicos Resistencia (Mena, techo y muro) Fracturacion (intensidad y tipo de fracturacin) Campo tensional in-situ (profundidad) Comportamiento tenso-deformacional Aspectos econmicos Leyes de la mena Valor unitario de la mena Productividad y ritmo de explotacin Seguridad y medio ambiente Aspectos de seguridad Impacto ambiental (paisaje, subsidencia, aguas etc..) Impacto socialb). Tipos de mtodos de explotacin subterrneos Autoportantes Cmaras y pilares ( room/stope and pillar) Cmaras almacn (shrinkage stoping) Cmaras por subniveles (sublevel stoping) Con sostenimiento artificial Corte y relleno (cut and fill) Por hundimiento Hundimiento por bloques (block caving) Hundimiento por subniveles (sublevel caving) Tajo largo (long wall) Tajo corto (short wall)

c. Seleccin del mtodo de explotacin

d. Sistemas de explotacin Sostenimiento y fortificacin Cuadros (madera o acero) Bulones y pernos Rellenos Posteo Entibaciones mecanizadas (carbn) Arranque Por gravedad (hundimiento controlado) Perforacin y voladura Arranque mecnico (rozadoras, perforadoras, etc...) Carga y desescombrado del frente Sistemas discontinuos (cargadoras) Sistemas continuos (transportadores continuos) Transportes en interior Sistemas discontinuos (L.H.D., camiones) Sistemas continuos (transportadores de banda, panzers) Extraccin Pozos de extraccin Planos inclinados para transporte por banda Rampas para camin Sistemas hidrulicos Servicios Ventilacin Drenaje.e) Sistemas tecnolgicos ms empleados

Mtodos de explotacinRoom And Pilar

Cuerpos mineralizados mantiformes y de baja potencia La calidad de la roca de caja y mineral deben ser competentes (2B) Se dejan pilares para mantener el techo y las paredes estables Se deben disear los pilares y los caserones para maximizar la recuperacin de mineral

Cuerpos mineralizados con potencias mayores a 10m y menores a 30 m se explotan por sub-niveles desde el techo al piso. Baja dilucin menor a 5% Recuperacin baja menor a 75% Costo de produccin 10-20$-t

POST ROOM AND PILAR MININGVariacin del mtodo de Room and Pilar Cuerpos con potencias mayores a 30m e inclinados (menor a 20 grados) Comienza en la parte inferior del cuerpo mineralizado y se extiende en la vertical por sub-niveles Una vez realizada la perforacin, tronadura, carguo y transporte del mineral se procede a rellenar el casern tpicamente con colas de relaves mezcladas con cemento. El relleno aumenta el confinamiento permitiendo disear con un menor factor de seguridad y por lo tanto maximizando la recuperacin

LONGHOLE AND SUBLEVEL OPEN STOPING

El cuerpo mineralizado es dividido en diferentes caserones separados por losas y muros La productividad del casern es proporcional a su tamao La estabilidad y dilucin de un casern es inversamente proporcional a su tamao Se utiliza open stoping en las siguientes condiciones: La inclinacin del cuerpo mineralizado excede el ngulo de reposo del mineral Roca de caja y mineral competente (2B) Cuerpo mineralizado de paredes regulares El mtodo de longhole open stoping posee una mayor productividad pudiendo lograrse subniveles de perforacin en el intervalo 60-100m con martillos ITH de 140 -165mm de dimetro Longhole open stoping requiere una mayor regularidad que el sub level stoping Actualmente se prefiere operar con el equipo de carguo en la zanja de produccin las estocadas de carguo y puntos de extraccin. Esta variante se debe operar con equipo telecomandado Baja dilucin, menor a 8% Baja recuperacin menor a 75% Costo 12-25 $/t En algunos casos se deben rellenar los caserones luego de extrado el mineral

VERTICAL CRATER RETREAT CON RELLENO VCR

mediana competencia (3B) Se utiliza la tcnica de cargas controladas en que el largo de la carga explosiva es menor a 6 veces el dimetro de perforacin. Carga esfrica Este sistema de explotacin requiere la construccin de estocadas y puntos de extraccin La secuencia de construccin es la siguiente Nivel de transporte Arreglo de galerias de produccin Corte basal Nivel de perforacin Perforacin de tiros largos menor a 40 m en caso VCR Los disparos generan cortes de hasta 3m Costo 15-45 $/t dependiendo si se rellena o no Dilucin 10% Recuperacin menor a 80%

SHRINCAGE STOPING

Vetas angostas (potencia menor a 10m) La roca de caja es de baja competencia (4B) y la mineral de mediana a alta (3B) Se remueve solamente el esponjamiento(40% del volumen) de la roca tronada el resto se mantiene almacenado para mantener las paredes estables y proveer de piso al sistema de perforacin Infraestructura de produccin es requerida. Productividad menor a 4500 tpd Alta dilucin 30% Mediana recuperacin 85% Costoso y riesgoso

CUT AND FILL MINING

Cuerpos mineralizados con orientacin vertical y potencias de 3 a 10 m La roca de caja es generalmente de baja competencia (4A) y la roca mineral de baja a media (3B). Se realiza por subniveles de manera ascendente Los caserones en explotacin se pueden separar por muros y losas de modo de aumentar la estabilidad del sistema minero Rellenos: hidrulicos colas de relave, material estril, ambos ms cemento, etc. Mtodo altamente selectivo, por lo tanto permite explotar cuerpos de baja regularidad y continuidad espacial Baja dilucin menor a 2% Alta recuperacin mayor a 90% Alto costo de produccin 40-150 $/t Baja productividad 200 a 4500 tpd

OVERHAND CUT AND FILL

Overhand cut and fill se realiza con perforacin horizontal por sobre el material de relleno Underhand cut and fill:El mineral se encuentra por debajo de la zona rellena. Tpicamente se utiliza relleno de cemento Este mtodo comienza en el techo del deposito y trabaja descendentemente hasta el nivel de transporte Se utiliza en cuerpos con baja continuidad espacial y especialmente en cuerpos constituidos de roca mineral y de caja frgil (4B-5A) La dilucin es baja menor al 2% La recuperacin es alta mayor a 90% El costo es alto 60-180 $/t Se utiliza en yacimiento de alta ley

SUBLEVEL CAVING

Se utiliza en cuerpos mineralizados con orientacin vertical y alta potencia mayor a 40m La roca de caja es de baja competencia y la roca mineral competente a mediana Se explota por subniveles donde se realizan en ciclo las operaciones unitarias de perforacin, tronadura, carguo y transporte Consiste en hundir la roca de caja y la pared colgante de esta manera el mineral queda en contacto con el estril facilitando el acceso de LHDs a travs de las galeras de produccin Productividad 4000 a 20000 tpd Costo 7-12 $/t Dilucin es alta hasta un 15% Recuperacin 75%

BLOCK CAVING/PANEL CAVING

Cuerpos masivos con una proyeccin en planta suficiente para inducir el hundimiento de la roca La roca mineralizada a hundir debe ser medianamente competente 3A-4A La roca estril de techo debe ser hundible La roca de caja puede ser competente como en el caso de pipas diamantiferas Se induce el hundimiento de la roca a travs del corte basal 4-12 m. El hundimiento se propaga en la medida que la roca es extrada del hundimiento utilizando la infraestructura de produccin Productividad 12000 a 48000 tpd Dilucin 20% Recuperacin 75% Costo 2.1-5$/t