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GEOLatitud Año 2020 / Volumen 3 / Número 2 / Octubre 2020

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Una mirada al Block Caving

A Block Caving overview

Yadira Vanessa Sánchez

1

1 Professional Member in The Institute of Materials, Minerals and Mining -UK.

yadira.sanchez@ing.uchile.cl

ISSN: 2661-6998

Fecha de recepción: 03-06-2020

Fecha de aceptación: 07-09-2020

RESUMEN

Durante los últimos años los métodos de minería de hundimien-to han generado un mayor interés a medida que el número de nuevos depósitos minerales cercanos a la superficie continúan disminuyendo. Esto ha impulsando un incremento en el desa-rrollo de investigaciones, generando una mejor comprensión de sus procesos. Así, muchas compañías han seleccionado el méto-do de Block Caving para permitir una transición de cielo abierto a una operación subterránea a gran escala. A pesar de su alta inversión de capital inicial y su reducida flexibilidad, la minería de caving es el único método subterráneo que puede ofrecer ba-jos costos operativos, comparables a operaciones a cielo abierto y altas tasas de producción, permitiendo economías de escala a largo plazo.

De forma general, el Block Caving es un método que apro-vecha la fuerza de gravedad para fragmentar al macizo roco-so en partículas y posteriormente movilizarlo hasta los puntos de extracción. Además, una variedad de factores como el flujo gravitacional marcan importancia para asegurar una actividad minera eficiente. Sin embargo, cada uno de estos factores están intrínsecamente relacionados con las características geológi-cas y geotécnigeológi-cas del yacimiento. Así, su aplicación llega a ser un desafío que no se puede replicar sin estudios exhaustivos y complejos que se ajusten a cada proyecto.

Palabras clave: elipsoides de extracción, flujo gravitacional,

fragmentación, métodos de hundimiento, minería a gran escala

ABSTRACT

Over the past few years, caving mining methods have generated increased interest as the number of new near-surface mineral deposits continues to decline. This has promoted an increase in the development of research, generating a better understand-ing of its processes. Thus, many companies have selected the Block Caving method to allow an open-pit transition to a large scale underground operation. Despite its high initial capital in-vestment and reduced flexibility, caving mining is the only un-derground method that can offer low operating costs, compared to open-pit operations and high production rates, allowing for long-term economies of scale.

In general, Block Caving is a method that takes advantage of the force of gravity to fragment the rock mass into particles and subsequently mobilize it to the extraction points. Furthermore, a variety of factors such as gravity flow are important to ensure efficient mining production. However, each of these factors is intrinsically related to the geological and geotechnical charac-teristics of the mineral deposit. Hence, its application becomes a challenge that is not able to replicate without carrying out ex-haustive and complex studies that fit into each project.

Keywords: extraction ellipsoids, gravity flow, fragmentation,

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1. INTRODUCCIÓN

La minería de hundimiento es la denominación que se le da a todas aquellas operaciones mineras en las que el yacimiento se derrumba naturalmente [1]. Bajo esta denominación se incluyen algunas variantes como: Block Caving, Front Caving y Panel Caving [2].

La minería de Block Caving históricamente se ha usado para extraer cuerpos minerales de baja ley, yacimientos de cobre, cobre-oro, hierro y molibdeno, kimberlita y lamproita que contienen diamantes [3][4]. La extracción mediante este método inició en minas como Climax y Henderson (Estados Unidos), El Teniente y El Salvador (Chile), los cuales son cuerpos minerales masivos con

dimensiones verticales sustanciales [5]. Actualmente se ha posicionado como uno de los métodos más utilizados en minería de gran escala y se espera que la tendencia continúe [6]. A nivel mundial la proporción de minas planificadas y operadas bajo métodos de hundimiento alcanza casi el 60% [7]. La Fig. 1 muestra algunas de las minas existentes y planificadas, en el mundo, que extraen minerales mediante Block Caving. Sudamérica ha marcado gran relevancia en la minería del caving; en Chile, aproximadamente el 40% de la producción nacional de cobre se extrae mediante minas de Block Caving como: El Teniente, Andina, El Salvador, y Chuquicamata [8].

Figura 1: Distribución de las minas operadas mediante métodos de hundimiento [9]

Principalmente, la popularidad del Block Caving se basa en ser uno de los métodos de minería subterránea más rentables, a pesar de su alta inversión de capital inicial [10][11]. Su bajo costo de producción, alta eficiencia y producción (10000-100000 t/d) [12], [13], junto con una creciente demanda de recursos naturales, han llevado a la progresiva importancia de esta técnica [14]. Además, ha marcado hitos cruciales en proyectos de transición [15]– [18], en donde la explotación a cielo abierto cambia a ser subterránea, ya que es el único método subterráneo que puede ofrecer tasas de producción y costos operativos comparables [16]. Adicionalmente, el Block Caving ofrece la ventaja de una huella ambiental superficial menor con requisitos significativamente menores de eliminación de desechos, en comparación a minas operadas bajo operaciones de open-pit [19].

En cuanto a su proceso, esta técnica ha sido definida como un método minero masivo en el cual el cuerpo mineralizado se derrumba naturalmente después de la socavación en la parte inferior del bloque, el mineral fragmentado fluye por gravedad y posteriormente es recolectado en puntos de extracción [2]. No obstante, en la operación de Block Caving existe un nivel de incertidumbre debido a que el flujo de material excavado

no es predecible es su totalidad [6]. La principal razón de esta incertidumbre, es la fragmentación del material excavado; es decir, una fragmentación gruesa tiene un comportamiento dentro del flujo, diferente a una fragmentación fina [20]. La literatura menciona que las dimensiones del material puede oscilar entre 0,01–3,0 m [2], sin embargo, el material puede llegar a ser tan fino como 0,425 mm [21]. Esto sucede porque el macizo rocoso experimenta dos procesos de fragmentación, desde la propagación del caving hasta su llegada al punto de extracción. La fragmentación primaria es el resultado de los esfuerzos inducidos durante la propagación del caving, esta fragmentación es gruesa, incluso genera bloques masivos de roca. La fragmentación secundaria produce reducción de tamaño en los fragmentos de roca que ya se encuentran en la columna de mineral a medida que aumenta el porcentaje de extracción [12].

En este contexto, el concepto de flujo gravitacional tiene gran relevancia debido a que la rentabilidad de una operación de Block Caving depende en gran medida del uso de la gravedad para transportar grandes cantidades de roca fragmentada [22]. Las investigaciones han coincidido en que el flujo gravitacional genera dos zonas dentro del material fragmentado: la zona de extracción,

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formada por el material que está cercano al punto de extracción y la zona de movimiento, formada por el material que fluye a lo largo de la columna [23], [24]. Estas zonas tienen una forma elipsoidal [25], [26], y sus dimensiones podrían afectar la recuperación de mineral en ciertos casos. Por lo tanto, las características del flujo gravitacional tienen gran influencia en la ingeniería del diseño del nivel de extracción, en particular, el espaciado y ubicación de los puntos de extracción [12], [14]. Para una parte del diseño del nivel de producción, existen guías empíricas propuestas para definir la correcta distancia entre los puntos de extracción [2], [27], con el objetivo de obtener altos porcentajes de recuperación durante la extracción. Estas guías se han empleado con éxito en la extracción de cuerpos de mineral desde finales del siglo XIX [10]. Una de las guías ampliamente utilizada es la de Laubscher (1994) [2]. Esta considera el Rock Mass Rating -RMR- o la frecuencia de fracturas, el ancho del punto de extracción y la fragmentación esperada. La guía estima que el diámetro de la zona de extracción es 2,17–3,0 veces el ancho del punto de extracción. Adicionalmente, otros estudios enfocados en el flujo en minas de Sublevel Caving, donde la roca ha sido previamente tronada, indican que el diámetro de la zona de extracción es 1,4 veces el ancho del punto de extracción [20], siendo una zona más estrecha. Recientes investigaciones han estudiado el flujo de material fino sobre modelos físicos y han determinado que el diámetro de las zonas de flujo están en el rango de 2,7 a 3,0 veces el ancho del punto de extracción, reafirmando la teoría de Laubscher [28]. Como se mencionó anteriormente, la importancia de estos valores responde a la necesidad de diseñar una apropiada malla de extracción, que funcione adecuadamente para las distintas granulometrías que pueden llegar a los puntos de extracción, y así, evitar pérdidas en la recuperación por material remanente sobre los pilares.

Este documento intenta abordar de forma general el proceso que envuelve una mina de Block Caving y la importancia del estudio del flujo gravitacional en su operación. Es importante mencionar que los factores geomecánicos presentes en este método no son mencionados ya que es un tema muy amplio y podría ser descrito en otro paper. Así, este documento ha sido estructurado de la siguiente forma: la Sección II presenta una descripción del método. Los factores más relevantes para considerar en su operación se abordan en la Sección III. La Sección IV presenta el concepto de flujo gravitacional y, un breve resumen del aporte de varias investigaciones realizadas en el tema se detalla en la Sección V. Finalmente, se concluye en la Sección VI.

2. DESCRIPCIÓN GENERAL DEL PROCESO DE BLOCK CAVING

El término “block” se refiere al diseño de la mina, que generalmente divide el yacimiento en grandes secciones (Panel Caving), aunque en algunos casos el bloque puede representar el diseño completo del yacimiento (Block

Caving). La diferencia fundamental entre los dos es que el Block Caving se produce a partir del diseño total del yacimiento, mientras que en el Panel Caving, la zona activa se mueve a través del panel, es decir, mientras en un extremo se está socavando, el otro extremo está ya en producción [3].

La base del proceso del Block Caving es transformar la roca in-situ en roca fragmentada, la cual fluye por la acción de la gravedad hacia los puntos de extracción [2]. Para que el mineral fluya libremente hacia el nivel de producción, el macizo rocoso primero debe fragmentarse, es decir, perturbarse hasta el punto donde se desintegra en un conjunto de bloques completamente formados que son susceptibles a fluir [10]. Esto se logra mediante la voladura y la remoción de una parte de roca en la base de la columna de mineral, este proceso se lo conoce como socavación o hundimiento [29]. Aquí se genera un vacío que permite que el macizo rocoso inicie un proceso de rotura (caving) mediante fuerzas externas, como la fuerza de gravedad, y posteriormente fluya [30]. Este proceso continuará hasta que el caving se propague a través de todo el bloque y consecuentemente provoque una deformación en el macizo rocoso circundante. Esto crea cráteres en la superficie generados por la extracción de gran parte del macizo rocoso que actúa como soporte debajo de la sobrecarga, lo que conduce a un hundimiento en la superficie, denominada subsidencia [3]. Los cambios en los accidentes geográficos provocados por el hundimiento (Fig. 2) pueden ser considerables en algunos casos, produciendo un impacto ambiental considerable [31].

Figura 2: Borde de subsidencia – Mina El Teniente Fuente: modificada de [32]

A una distancia segura, por debajo del nivel de socavación, se encuentra el nivel de extracción. En este nivel, varios túneles paralelos llamados calles, proporcionan acceso a una serie de zanjas que conducen hacia los puntos de extracción (Fig. 3). Además, los niveles de socavación y de producción están conectados por una batea o embudo, que son el penúltimo lugar de paso de la roca fragmentada para llegar al punto de extracción, donde se carga mediante dúmperes (LHD), y se entrega a piques de traspaso de mineral o trituradoras subterráneas. Finalmente, el mineral es elevado a la superficie en contenedores o bandas transportadoras. La Fig. 4 muestra una vista isométrica de un bloque, la propagación del caving y la diferencia entre el avance en la construcción de los niveles de socavación y producción.

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Figura 3: Diseño del nivel de producción en Block Caving

Fuente: modificada de [33] Figura 4: Esquema 3D general de una mina de Block Caving Fuente: modificada de [34]

3. PRINCIPALES FACTORES QUE AFECTAN UNA OPERACIÓN EN BLOCK CAVING

Los parámetros considerados a continuación son comunes a todos los sistemas de extracción de caving.

3.1. Factibilidad de excavación - Cavability

En el pasado, los métodos de caving eran considerados únicamente para macizos rocosos débiles a moderadamente fuertes (Mining Rock Mass Rating -MRMR- menor a 50), y a profundidades moderadas [2]. Sin embargo, en la actualidad la aplicación de este método en macizos rocosos profundos (>1Km) [11] y competentes, se ha convertido en una práctica aceptada [14].

Para lograr el hundimiento de un macizo con mayor resistencia, se ha introducido un nuevo término en este

tipo de minería. El preacondicionamiento, se ha adoptado dentro de la minería de caving para describir el proceso de modificación de una masa rocosa y para permitir un mejor control o gestión del proceso del caving [35]. El objetivo es inducir artificialmente cambios en el macizo rocoso y modificar las características estructurales de la roca. Las técnicas utilizadas son: fracturación hidráulica (HF -inyección de fluido) o voladura confinada a gran escala (detonación simultánea de cargas explosivas con longitudes largas) (Fig. 5).

El preacondicionamiento por fracturación hidráulica afecta el comportamiento general de la masa de roca mediante la introducción de fracturas adicionales y artificiales a gran escala, así, las nuevas discontinuidades son tratadas como un conjunto o conjuntos de juntas adicionales. Por otro lado, el preacondicionamiento mediante voladura confinada daña la roca intacta, extendiendo las discontinuidades previamente existentes y así modificar las propiedades mecánicas in situ del macizo rocoso; por ejemplo, resistencia y rigidez [36].

Figura 5: Esquema de preacondicionamiento intensivo Fuente: modificada de [36]

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Se ha demostrado que el preacondicionamiento por fracturación hidráulica (HF) es un medio rentable para inducir la propagación del caving, controlar la sismicidad, las tasas de derrumbe y reducir el tamaño de las rocas durante la fragmentación primaria [37].

3.2. Diseño del nivel de socavación y producción

Como en todo método de explotación minera, las dimensiones se diseñan en función a la producción planificada. El Block Caving es un sistema subterráneo que permite una alta productividad [10], por lo que requiere un gran esfuerzo de diseño y construcción de alta calidad. Debido a que su diseño puede ser relativamente inflexible, en comparación con los métodos utilizados para extraer cuerpos minerales tabulares o vetiformes que pueden alcanzar una vida promedio de dos años, este método requiere un diseño robusto que asegure una estabilidad que evite concentración de esfuerzos y posibles daños en sus instalaciones [12], [38]. Además, las consideraciones geomecánicas para el diseño de una mina de caving son relativamente complejas, extensas y están fuera del alcance de este documento.

3.2.1. Nivel de producción

Este nivel también es conocido como horizonte de extracción, aquí el mineral fragmentado se extrae a través de puntos de extracción. Su diseño y construcción requieren mucha atención, ya que una mina operada con este sistema tiene una vida entre 5-20 años o incluso más. Las instalaciones de este nivel deben presentar una estabilidad durante todo el tiempo de explotación de determinado bloque, debido a que los problemas de estabilidad no se pueden remediar fácilmente y causan un impacto importante en la operación [38].

Por otro lado, el diseño de las mallas de extracción considera la distribución y distancia de los puntos de extracción y pueden adoptar diferentes geometrías. Entre las más usadas actualmente, se puede mencionar las mallas tipo Henderson y Teniente (Fig. 6).

Figura 6: Mallas de extracción a) Henderson y b) Teniente Fuente: modificada de [39]

Una dimensión importante por determinar en este nivel es el correcto espaciado de los puntos de extracción para una extracción eficiente. En términos de diseño, Laubscher, Marano y Kvapil [2], [25], [40] han sugerido que para lograr un flujo uniforme, los puntos de extracción deben cumplir con un criterio de espacio crítico, siendo una función del ancho de la zona

movilizada en cada punto de extracción individual. De esta forma los puntos de extracción deben estar lo suficientemente cerca para que los volúmenes de material fragmentado movilizado, asociados a cada punto de extracción, se traslapen como lo indica la Fig. 7. No obstante, puede existir un volumen de material remanente que está considerado dentro de las proyecciones iniciales de recuperación.

Figura 7: Traslape entre zonas de extracción Fuente: modificada de [41]

3.2.2. Nivel de socavamiento / hundimiento

A una distancia entre 10-20 m, por encima del nivel de producción, se desarrolla un conjunto de túneles paralelos y horizontales [42]. Mediante operaciones de perforación y voladura verticales ascendentes se fragmenta la roca; posteriormente, el túnel se derrumba en secciones y la roca fragmentada se extrae a través de puntos del túnel que aún no se han visto afectados por la voladura [3]. La generación de esta caverna superior es necesaria para dar inicio al caving y a continuación la roca empieza fluir por gravedad.

La observación y la medición de las operaciones de Block/Panel Caving, pasadas y actuales, indican que el diseño y la secuencia de la socavación tienen una influencia significativa en la estabilidad de las zanjas y puntos de extracción en el nivel de producción [10]. Básicamente, existen tres métodos diferentes de socavación (Fig. 8): convencional, avanzada y previa. En el primero, la perforación y voladura de la socavación se realizan después de que se haya completado el desarrollo del nivel de producción, es decir, zanjas, puntos de extracción y bateas están listos para recibir el mineral que fluye desde el nivel superior. Para la socavación avanzada, la perforación y la voladura se realizan por encima de un nivel de producción parcialmente desarrollado y con una extracción parcial, lo que puede generar compactación del mineral fragmentado si no se extrae rápidamente. En la socavación previa, como su nombre lo indica, el nivel de hundimiento se completa previo al desarrollo del nivel de producción como una operación independiente. Para controlar la acumulación de esfuerzos, la línea que une los avances entre los dos niveles debe formar un ángulo de 45° [42].

Con el objetivo de ejemplarizar estos conceptos, la Fig. 9, muestra el diseño y las dimensiones reales del sector

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productivo Esmeralda de la División El Teniente – (Codelco – Chile). La distancia en los niveles de hundimiento y producción es de 18 m, con un efectivo grosor del pilar sobre las calles (crown pilar) de 14,4 m. En el nivel de socavación las galerías están separadas por 15 m y su sección es de 3,6x3,6 m. Las calles en el nivel de producción se encuentran cada 30 m, con una sección de 4,1x3,9 m, mientras que la distancia entre zanjas es de

15,17 m (Fig. 10) con un sección un poco más angosta de 4,1x3,6 m [30]. En este mismo nivel se encuentran varios puntos de descarga del material y reducción secundaria para los fragmentos que no pasen por la malla de los piques de descarga (apertura de la malla: 102x102 cm). Adicionalmente, bajo este nivel se encuentra toda la infraestructura para el manejo de materiales que incluye piques de descarga, ventilación y nivel de transporte

Figura 8: Desarrollo y secuencia de construcción para una socavación convencional, avanzada y previa

Fuente: modificada de [42]

Figura 9: Geometría del nivel de producción – Sector productivo Esmeralda

Fuente: modificada de [30]

Figura 10: Malla de extracción – Sector productivo Esmeralda Fuente: modificada de [30]

3.3. Al tura del bloque

Esta dimensión es considerada para calcular el efecto de las tensiones sobre el pilar en el nivel de producción. Brown [10], [12] la define como la altura del macizo rocoso que va a ser excavado y su dimensión se considera desde el nivel de extracción hasta la superficie, en otros casos, desde la base de una mina a cielo abierto preexistente o un nivel/área minada por encima. Al ser el Block Caving una minería relativamente grande, las áreas socavadas a menudo oscilan entre 30,000 y 100,000 m2 [42], con alturas de bloque que han ido incrementando en el tiempo. En 1970 una altura típica podía ser de 100 m, para el periodo de 1970–1990 fue de 160 m, desde 1990 se alcanzó los 240 m [43] e incluso actualmente se ha superado los 450 m, siendo el caso de

Palabora (Palabora Mining Company - Sudáfrica), una mina que sufrió una transición a Block Caving al alcanzar su máxima profundidad económica del pit [44].

Por otro lado, en minas de Panel Caving esta altura puede ser menor. Como lo indica la Fig. 9 en el sector de Esmeralda, la altura es de 110 m, en donde los primeros 60 m corresponden a trabajos previos del sector Teniente Sur 4 y, los posteriores 50 m, son roca intacta que corresponde a la altura del bloque.

3.4. Control de extracción

El objetivo del control de las tasas de extracción es lograr un mejor manejo de la velocidad de la propagación del caving. Como se mencionó anteriormente, esta propagación de fracturas se genera si existe espacio (vacío/aire) para que la roca pueda moverse. Desafortunadamente, si la velocidad no es controlada y es mayor a la permitida por las características geomecánicas del macizo rocoso , puede generar fuertes explosiones de roca dañando infraestructuras en el nivel de producción y una entrada temprana de dilución [2]. Así, una correcta planificación de extracción es aquella que evita la acumulación de esfuerzos, maximiza la recuperación de mineral y minimiza la extracción de material estéril desde el exterior de la columna de mineral [45].

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En el Block Caving las tasas de extracción difieren en cada etapa. Durante las primeras etapas del caving, es decir, cuando inicia la extracción por pocos puntos de extracción, se puede asumir tasas bajas de 100 mm/día, incluso tan bajas como 75 mm/día, siendo una práctica segura debido a la concentración de esfuerzos en el inicio de la operación. A medida que a la extracción se suman más puntos de extracción, las tasas se encuentran en un rango de 200–400 mm/día [14], pero el factor de la fragmentación de la roca es muy importante para establecer reales tasas de extracción, ya que el material fino produce mayores tasas de extracción [26].

En términos de dilución, se ha demostrado que el control de extracción debe ser igual para todos los puntos de

extracción en el tiempo, esto asegura que la recuperación se maximizará y la dilución se minimizará si la planificación de extracción puede lograr un flujo uniforme. Lo anterior implica que el material fragmentado se mueva de forma descendente y relativamente uniforme hacia el nivel de extracción [25], [40].

Para lograr una mejor visión y comprender como se genera la dilución, la Fig. 11 muestra los tipos de dilución en una operación de Block Caving, dilución vertical y lateral.

Figura 11: Secciones esquemáticas secuenciales de la extracción por punto, que muestran (a) dilución vertical y (b) dilución lateral Fuente: modificada de [46]

En la Fig. 11a, la dilución ingresa a los puntos de extracción por el flujo del material no mineralizado desde su fuente que se encuentra suprayacente al bloque mineralizado. Si existe material fino en el flujo y presencia de agua, podrían ocurrir otros fenómenos, como percolación [2]. La dilución lateral (Fig. 11b) se genera en un tipo de contacto entre la roca estéril y el material mineralizado, el caving se puede propagar preferentemente, en términos de velocidad, alejándose del contacto lateral del material in situ y mineral fragmentado. Puede ocurrir que este contacto no sea estrictamente vertical, presentando un ángulo menor dependiendo de las propiedades geomecánicas del macizo rocoso y la cantidad de mineral extraído en los puntos de extracción que se ubican en la frontera. El espacio de aire o vacío juega un papel esencial, ya que si este espacio entre la parte posterior del caving y la acumulación de material fragmentado es lo suficientemente grande, el material estéril entrará en las columnas de flujo de mineral, pudiendo moverse horizontalmente a lo largo de la pendiente del material fragmentado sobre los puntos de extracción [46], [47].

3.5. Fragmentación

Determinar la probable distribución granulométrica de la roca fragmentada en la extracción es una tarea muy compleja, debido al impacto que puede producir una fragmentación inesperada [48]. Por esto se puede decir que la fragmentación es otro de los factores clave para una exitosa operación. En la dinámica del caving, a lo largo de la columna de mineral, suceden dos tipos de fragmentación, primaria y secundaria. La fragmentación primaria se genera cuando el macizo rocoso comienza a fracturarse debido a la influencia del cambio en el estado de esfuerzos y, la fragmentación secundaria, se produce por una combinación de fracturamiento masivo o aplastamiento y rotura por abrasión, siendo el efecto de esfuerzos de compresión y corte, los que ocurren cuando los fragmentos de roca se mueven a través de la columna de mineral hacia los puntos de extracción [29].

En la Fig. 12 se puede observar dos puntos de extracción en donde el material presenta diferentes dimensiones. El flujo de material grueso (> 80-100 cm) (Fig. 12a) puede generar una actividad extra de reducción de tamaño mediante martillos en puntos específicos del nivel de

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producción, incrementando tiempo y costos en la operación, en consecuencia, disminución de productividad. Por otro lado, el flujo de material fino (<30 cm) (Fig. 12b) tiene implicaciones en la recuperación de mineral, ya que en dependencia de la geometría de la malla de extracción, podría no existir una superposición entre las áreas de flujo de material asociadas a cada punto de extracción [20].

Figura 12: Puntos de extracción

a) Fragmentación primaria, b) Fragmentación secundaria [49]

4. FLUJO GRAVITACIONAL

Es importante considerar que, posterior a la rotura del macizo rocoso, el material fracturado resultante se parece a un medio particulado grueso. Por lo tanto, el uso de las leyes mecánicas de material granular es totalmente pertinente en el estudio del flujo gravitacional [50]. Este factor, adicional a su importancia en el diseño y las estrategias de control de extracción y, por lo tanto, en la recuperación de mineral, sigue siendo el más discutible de los fundamentos del caving [51]. Su comportamiento está en dependencia de varios elementos como: uniformidad de extracción, geometría de la malla de extracción, distancia a la superficie, condiciones de tensión y, propiedades mecánicas y granulometría del material que fluye [52]. En este contexto, varias investigaciones se han realizado para mejorar su comprensión y verificar datos o teorías. Las investigaciones se han basado en modelos físicos [2], [8], [26], [28], [45], [53], [54], modelos numéricos [55][56] y ensayos a gran escala [57], [58], siendo herramientas complementarias para mejorar el conocimiento en este tema.

Adicionalmente, hoy en día, el uso de herramientas computacionales tiene como objetivo emular el patrón de flujo por gravedad de la roca fragmentada. Su base ha partido desde códigos empíricos, pasando por simulaciones estocásticas y modelos cinemáticos que han estados siendo mejorados en el tiempo con implementaciones de características intrínsecas del material granular. Entre los simuladores más utilizados se pueden mencionar: REBOT [29], PC-BC [59], FLOWSIM [52], y ESyS-Particle [60]. A pesar de que sus resultados resultan ser más confiables y robustos en comparación a otras herramientas, su enfoque está en el largo plazo, por lo que no logran emular los fenómenos del flujo gravitacional a corto plazo [61].

La Fig. 13 muestra el resultado de una simulación en REBOT, en donde se observa la evolución de las zonas de movimiento y extracción en función a la masa de extracción acumulada de 50, 100, 150, y 200 kg.

Figura 13: Simulaciones del perfil de extracción Zona de movimiento (rojo), zona de extracción (turquesa) a) punto de extracción aislada, b) extracción por dos puntos [29]

5. RESUMEN DE RESULTADOS OBTENIDOS EN VARIAS INVESTIGACIONES

Con el objetivo de sintetizar en forma cronológica, la Tabla 1 indica los principales hallazgos en torno al flujo gravitacional.

Tabla I: Principales investigaciones en el flujo gravitacional

Autor Hallazgo

Kvapil (1965)

[40] activa. Dentro de esta última el flujo de material MF: En el flujo existen dos zonas, pasiva y adopta una forma elipsoidal, sin embargo, puede

llegar a ser cilíndrica a mayores alturas de bloque.

La zona activa presenta dos elipsoides, una de movimiento y otra de extracción (material que

se aproxima al punto de extracción). McCormick

(1968) [62] MF: Concluyó que el flujo es similar entre material grueso o fino. El ancho máximo del elipsoide no depende de la

geometría del punto de extracción. Li Yenge

(1980) [63] afectado por la extracción, cohesión y forma del MF: Encontró que el flujo gravitacional es material.

Marano (1980)

[25] interactiva debido a que los resultados obtenidos MF: Introdujo el término de extracción en un punto de extracción aislado diferían a los

que se obtuvieron mediante varios puntos de extracción.

Heslop (1983)

[64] MF: Determinó que el diámetro de la zona de extracción es la distancia en la que ocurren condiciones de no flujo como arcos mecánicos. Concluyó que el ancho del elipsoide debe ser de

3,0 a 4,5 veces el tamaño máximo de la partícula.

Peters (1984)

[65] depende del porcentaje de material fino y las MF: El ancho del elipsoide de extracción dimensiones del punto de extracción.

(9)

Laubscher

(1994) [2] MF: Implementó la teoría de interacción: Si los puntos de extracción están separados a una distancia menor que 1,5 veces el diámetro de tiraje aislado (diámetro del elipsoide de un solo

punto de extracción -IMZ), el comportamiento de la columna desciende uniforme hasta una

altura de interacción, favoreciendo la recuperación.

Laubscher

(2000) [27] pueden ser un problema para fines de diseño, MF: Concluyó que los diámetros angostos porque si no existe interacción entre los

elipsoides, la recuperación de mineral disminuye.

Hustrulid and Sun (2004)

[66]

Encontró la relación entre el ancho del punto (D) y el diámetro máximo de la partícula de material (d) para determinar condiciones de

flujo. Flujo seguro D/d>5 Flujo incierto 3<D/d<5

No hay flujo D/d<3 Castro et al.

(2007)[22] MF: Concluyó que la distancia entre puntos de extracción debe ser menor al ancho de IMZ. Melo et al.

(2008) [56] MN: Postuló ecuaciones para predecir el flujo y forma de la zona de movimiento en material granular no compactado.

Brunton et al.

(2012) [57] ES: Descubrió que el flujo en el campo cercano (30 m iniciales desde el nivel de socavación) es caótico y alterado, contradiciendo la teoría convencional basada en modelos numéricos y

modelos físicos a escala. Castro et al.

(2016) [45] disminuye el flujo y aumenta la fragmentación MF: Encontró que, al aplicar mayor carga, secundaria.

Sánchez et al.

(2018) [28] MF: Concluyó que el diámetro de las zonas de flujo en material fino bajo condiciones de humedad, están en el rango de 2,7 a 3,0 veces el

ancho del punto de extracción Castro et al.

(2020) [67] inducidos pueden variar de 0,8 a 2,8 veces el MF: Determinó que los esfuerzos verticales valor inicial en dependencia de las dimensiones

de las zonas de flujo y las zonas de no flujo.

*MF: Modelamiento físico *MN: Modelamiento numérico *ES: Ensayos in-situ

De esta forma se puede resumir que la investigación sobre el flujo gravitacional se ha centrado principalmente en comprender los mecanismos involucrados y especialmente su impacto en el diseño y operación del nivel de producción de la mina [22]. Sin embargo, a la fecha existen incógnitas por resolver en cuanto al flujo gravitacional, debido a la complejidad de representar en un modelo físico o matemático todas sus características, como la compactación, filtración de agua, migración de finos y fragmentación secundaria, factores observados en una operación de caving. Por otro lado, todavía existe la necesidad de realizar pruebas a gran escala que permitirían el desarrollo de nuevas teorías y conceptos [52].

6. CONCLUSIONES

La minería de hundimiento es el único método subterráneo que puede ofrecer una producción continua, a una tasa comparablemente alta y con bajos costos operativos, por lo que muchas compañías que operan a cielo abierto y han alcanzado profundidades significativas, están examinando su viabilidad de transición. Adicionalmente, al ser un método masivo en

donde la roca es fragmentada por la acción de la gravedad, su requerimiento de operaciones de perforación y voladura son mucho menores durante la extracción. Esto se traduce en una disminución de transportar residuos a la superficie, favoreciendo la reducción de impactos ambientales en comparación a una operación de open-pit.

Considerando que antiguamente la aplicación del Block Caving dependía de las características geomecánicas del macizo rocoso y la capacidad de la roca circundante de fracturarse de la manera correcta, las actuales técnicas de preacondicionamiento han abierto la posibilidad de su aplicación en cuerpos masivos definidos geomecánicamente entre las clases I y III (RMR). En la práctica, la estabilidad de los niveles de extracción y socavación siempre ha sido una restricción de ingeniería en el diseño, por lo que estrategias como la implementación de un correcto plan de hundimiento, control y secuencia en la extracción, son componentes importantes para el manejo de tensiones y cargas. En esta línea, Flores y Catalán [16] mencionan que cada proyecto presenta diferentes características y no hay recetas o libros de cocina específicos para la aplicación de la minería de hundimiento, siendo un desafío que requiere investigaciones detalladas y análisis exhaustivos, para generar un diseño innovador y un enfoque estricto para el desarrollo y la operación.

A pesar de la cantidad de investigaciones y análisis de casos reales que se han llevado a cabo para incrementar el entendimiento de este método junto con el comportamiento del flujo gravitacional, es necesario continuar el desarrollo de estudios con el objetivo de optimizar y mejorar los escenarios de producción minera a corto y largo plazo.

Finalmente, en la actualidad en Ecuador no existe ningún proyecto que utilice métodos de minería masiva. Sin embargo, el Block Caving ha sido ya considerado por el Proyecto Alpala (SolGold), dentro de su etapa de pre-factibilidad, que al ser un pórfido de cobre-oro-plata, reúne las características geológicas para aplicar este método [68]. Por otro lado, la aplicación de este método de hundimiento podría ser oportuna en yacimientos porfiríticos que actualmente están siendo explotados, suponiendo que sus reservas podrían extenderse en profundidad, siendo la mejor opción para aumentar la vida de la mina mediante una transición de open-pit a Block Caving.

De esta forma y considerando la visión actual del Gobierno Nacional, de impulsar la industria minera a gran escala, es de gran importancia una activa cooperación entre la academia y la empresa privada. El objetivo es generar conocimiento aplicado a las condiciones geológicas que ofrece nuestro país para resolver los problemas técnicos asociados al Block Caving y popularizar su aplicación.

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