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DISEÑO GEOTÉCNICO PARA
TAJEO ABIERTO
POR SUBNIVELES
Ernesto Villaescusa
Western Australian School of Mines
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Introducción
1.1 Selección del Método de Minado
El diseño y selección de un método de minado requiere de un enfoque sistemático; algunos de los parámetros fundamentales que influencian el proceso de planificación y diseño son el buzamiento, tamaño y forma de un yacimiento; las resistencias del mineral y de la roca huésped así como la economía (Hamrin, 1982; Brady y Brown, 2004). Puede distinguirse entre yacimientos que tienen ancho, altura y longitud significativos y aquellos que son pequeños en una dimensión y tienen buzamiento empinado o somero. Por ejemplo, los yacimientos que tienen dimensiones verticales importantes pueden accederse mediante piques desarrollados a profundidades sucesivas. La fuerza de gravedad se usa con ventaja en las operaciones de rotura y manipuleo del mineral, pues el material roto puede llevarse hasta los puntos de recolección convenientemente situados. Cuando un yacimiento es angosto, requiriendo el ingreso total de equipo y personal, una consideración crítica a medida que avanza el frente de minado es la caída de rocas (Figura 1.1). En la mayoría de los casos, cuando un yacimiento es grande en todas sus dimensiones, el acceso es a través de piques pequeños situados fuera de las zonas de producción principales. El método de minado seleccionado excluirá otras opciones en base a la seguridad, productividad, recuperación y control de dilución. Brady y Brown (2004) han explicado la relación general entre las propiedades geotécnicas de un yacimiento, la roca huésped y el método de minado más adecuado.
1.2 Métodos de Minado Autosostenidos
La estabilidad del macizo rocoso influye enormemente en la elección del método de minado. Los macizos rocosos estables permiten extensas exposiciones de los techos y muros de aperturas subterráneas (Figura 1.2). Las aperturas autosostenidas son aquellas en las cuales la carga suprayacente se redistribuye por la masa rocosa y es soportada por los muros laterales y pilares. Puede removerse mineral de una apertura sin usar materiales para soporte de techo y muros. Por seguridad, es probable que aún se requiera soporte del suelo en lugares individuales o a intervalos regulares. Los ejemplos de métodos de minado autosostenidos (Brady y Brown, 2004) incluyen minado por tajeo abierto (materia de este libro) y el minado por cámaras y pilares, que no volverá a mencionarse aquí.
3 FIGURA 1.1
Pique de acceso estabilizado previo a la extracción por tajeo de subnivel abierto.
FIGURA 1.2
4 El tajeo por subniveles está diseñado para la extracción progresiva de bloques de mineral específicos entre pilares de material circundante. El objetivo es explotar tanto como sea posible un depósito en los tajeos iniciales abiertos con bajo riesgo de movimiento del terreno y sin poner en peligro la recuperación del mineral de los pilares adyacentes. Por lo tanto, el tajeo abierto representa un sistema integral por etapas de recuperación total del mineral. El tajeo abierto primario usualmente es seguido por fases de extracción secundaria y a veces terciaria para recuperar el mineral de pilares. Los muros del tajeo deben ser autosoportantes para asegurar que la excavación sea estable a fin de permitir el minado de tajeo abierto sin dilución. El mineral también debe ser resistente para asegurar pilares secundarios y terciarios estables. La recuperación de pilares requiere el uso de material de relleno consolidado que se coloca en los vacíos del tajeo primario para permitir la extracción estable de tajeo secundario y a veces tajeo terciario. Aunque el tajeo abierto por subniveles es esencialmente un método de minado autosostenido, en este sentido puede empalmarse con métodos sostenidos artificialmente como los identificados por Brady y Brown (2004).
1.3 Tajeo Abierto por Subniveles
Los métodos de tajeo abierto por subniveles se emplean para extraer yacimientos competentes grandes, masivos o tabulares, a menudo con buzamiento empinado, rodeados de rocas huéspedes competentes, que en general tienen pocas restricciones respecto a la forma, tamaño y continuidad de la mineralización. El éxito del método descansa en la estabilidad de los muros y techos grandes de tajeos (mayormente sin reforzar), así como en la estabilidad de cualquier masa de relleno expuesta. En macizos rocosos de buena calidad, los tajeos abiertos pueden ser excavaciones relativamente grandes (Figuera 1.3), en las cuales la perforación y voladura en anillo es el método principal de rotura de roca. En los límites del tajeo puede haber dilución de mineral consistente en materiales de baja ley, roca estéril o relleno de mina. Además, también puede haber pérdida de mineral debido a rotura insuficiente dentro de los límites del tajeo.
Dos configuraciones de tajeo básicas son posibles: longitudinal y transversal. En ambas configuraciones, el mineral se explota desde subniveles mediante alguna forma de banqueo y fluye por gravedad a un punto de recolección. El tajeo por subnivel longitudinal se utiliza para yacimientos comparativamente angostos, usualmente menos de 15 m, con buzamiento empinado y el tajeo paralelo al rumbo del yacimiento. En yacimientos gruesos, los tajeos se orientan perpendiculares (transversales) al rumbo del depósito con pilares que se dejan entre los tajeos primarios. La recuperación total del tajeo y pilares requiere el empleo de relleno consolidado (Brady y Brown, 2004).
El método se aplica ampliamente en todo el mundo y ofrece varias ventajas, incluyendo el bajo costo y las operaciones de producción eficiente sin ingreso. Utiliza equipo móvil de producción de
5 FIGURA 1.3
Operaciones de tajeo a gran escala en las Minas Mount Isa. (Cortesía de Mount Isa Mines, Mount Isa, Queensland, Australia.)
perforación y carga altamente mecanizado para lograr altas tasas de producción con un nivel mínimo de personal. Además, las operaciones de producción de perforación en anillo, voladura, y recolección con pala neumática se concentran en unos pocos lugares. Las desventajas incluyen el requerimiento de un nivel importante de infraestructura de desarrollo antes de que empiece la producción, incurriendo así en una alta inversión inicial de capital. Sin embargo, gran parte del desarrollo ocurre dentro del yacimiento. Además, los tajeos deben diseñarse con límites regulares, y los bolsones de desecho internos no pueden separarse dentro del mineral roto. De modo similar, el mineral delineado no puede recuperarse más allá de un límite de tajeo diseñado.
6 Los adelantos técnicos respecto a la comprensión de la conducta de la masa rocosa y el relleno, junto con las técnicas de medición de dilución y mejoras en voladura, equipo, ventilación y prácticas de soporte del terreno, actualmente permiten aplicar este método en situaciones mineras y geológicas cada vez más complejas, aún a gran profundidad. En particular, se requiere un aumento en la comprensión del método para facilitar configuraciones de acceso de tajeo mejorado y secuencias de extracción optimizadas, conducentes a la recuperación completa del yacimiento a la vez que se logra controlar la dilución. La complejidad del método y la profundidad actual de los yacimientos que se están explotando en todo el mundo sugieren que el planeamiento y control adecuados de las operaciones son críticos para la implementación exitosa de tamaños de tajeo y secuencias de extracción óptimas. Al método se le conoce comúnmente por todo el mundo como tajeo abierto, tajeo por subniveles, y tajeo por perforación de barrenos largos. Los elementos esenciales comunes del tajeo por subniveles son los siguientes (Mathews, 1978; Bridges, 1983):
• Los tajeos son abiertos y se extraen sin colapso o socavación sustancial de muros.
• Los tajeos se extienden de subnivel a subnivel y las operaciones se efectúan sólo en estos subniveles.
• La roca disparada se mueve sólo por gravedad a los puntos de recolección del tajeo.
• El método usa barrenos largos para la rotura de roca, logrando buena fragmentación (Figura 1.4).
• Los barrenos se ubican dentro de planos llamados anillos.
• Los huecos pueden perforarse hacia abajo o hacia arriba.
• El arranque de expansión inicial está situado a un lado, al centro o al fondo de cada tajeo.
• El método es sin ingreso y el personal no tiene acceso a la parte abierta del tajeo (Figuras 1.5 y 1.6).
7 FIGURA 1.4
8 FIGURA 1.5
Vista del interior de un tajeo abierto.
FIGURA 1.6
Vista tri-dimensional de un tajeo abierto por subniveles transversales con varios niveles. (De Villaescusa, E., A review of sublevel stoping, en G. Chitombo, ed., Proceedings of the MassMin 2000, Brisbane, Queensland, Australia, 29 de Octubre a 2 de Noviembre, 2000, pp. 577-590), AusIMM, Melbourne, Victoria, Australia. Con autorización.)
9 FIGURA 1.7
Tajeo de banco longitudinal a gran escala.
En este contexto, la extracción de yacimientos angostos y lenticulares mediante tajeo de banco longitudinal (Villaescusa et al., 1994) se incluye también entre las geometrías de tajeo por subniveles y se le examina en detalle en este libro (Figura 1.7).
Durante los últimos 20 años o algo así, se ha desarrollado tecnología para mejorar la seguridad y economía de la extracción de mineral por tajeo y bancos de subniveles. La experiencia indica que las discontinuidades geológicas, esfuerzos, daño de voladura, geometría de excavación y soporte del terreno son los factores principales que controlan la conducta y estabilidad de los muros del tajeo. En las sub-secciones siguientes se introducirá y discutirá brevemente estos factores. Se les abordará con más detalle en capítulos posteriores de este libro.
10 1.4 Factores que controlan el Comportamiento de Muros de Tajeo
1.4.1 Geometría de Excavación
En el tajeo por subniveles, la perforación y voladura se realizan desde galerías de perforación situadas en subniveles colocados estratégicamente sobre la altura de un tajeo.
FIGURA 1.8
Formas estables para tajeo por subniveles
Debido al limitado refuerzo de perno de cable que puede darse a los muros expuestos del tajeo, la excavación debe diseñarse para que sea inherentemente estable. En este sentido, la experiencia ha demostrado que, por lo general, es posible lograr estabilidad de muro de tajeo con una dilución mínima creando aberturas que tengan dimensiones verticales altas y dimensiones horizontales cortas. Un ejemplo sería una perforación estable ascendente que se extiende lateralmente hasta que se vuelve inestable. La estabilidad se logra también formando aberturas que tienen dimensiones horizontales largas y dimensiones verticales cortas. Un ejemplo sería un túnel estable largo, cuya altura se aumenta hasta que se vuelve inestable. Los tajeos de forma cuadrada son los menos eficaces en términos de volúmenes potencialmente estables (Figura 1.8).
La forma de la curva de transición conceptual en la Figura 1.8 es hiperbólica e indica que para tajeos abiertos por subniveles de varias capas (excavaciones con muros que tienen dimensiones verticales altas y dimensiones horizontales cortas), los tramos críticos son las longitudes horizontales expuestas o las anchuras de tajeo. La longitud y anchura, o sea dimensiones en vista de planta, son las dimensiones de tajeo críticas pues controlan también las dimensiones de las coronas del tajeo. Los tajeos por banco son excavaciones donde la más larga dimensión es la longitud del rumbo y los tramos críticos usualmente son las alturas expuestas, pues el ancho del yacimiento es usualmente
11 angosto. La Figura 1.9 muestra un ejemplo de desempeño de caja respaldo para tajeos de uno y dos niveles extraídos en un dominio geotécnico similar.
FIGURA 1.9
Desempeño de tajeo – masa rocosa tabular con buzamiento empinado, Mina Mount Marion.
Los datos del caso de estudio muestran que para los tajeos de un solo nivel, el desempeño del tajeo no lo controla la geometría, ya que la profundidad de falla no se correlaciona con las dimensiones del tajeo. Sin embargo, a medida que aumenta la altura del tajeo, la profundidad de falla aumenta con el incremento en longitud de rumbo del tajeo. Una conclusión inmediata es que la reducción del tamaño del tajeo puede que no necesariamente resulte en un mejor desempeño del mismo. Otro caso de estudio se muestra en la Figura 1.10, en la cual el desempeño del tajeo se relaciona claramente con la geometría del mismo.
1.4.2 Resistencia de la Masa Rocosa
Generalmente se acepta que el comportamiento de los muros del tajeo es controlado mayormente por la resistencia de la masa rocosa que rodea al tajeo. Esta resistencia de masa rocosa depende de la naturaleza geométrica y resistencia de las discontinuidades geológicas así como de las propiedades físicas de los puentes de roca intacta. Las discontinuidades mayores solas o en combinación (usualmente continuas a la escala de un bloque de tajeo) tales como fallas, zonas de cizalla y diques, usualmente tienen muy bajas resistencias al corte y, si se orientan desfavorablemente, proveen superficies de falla cuando son expuestas por los muros del tajeo (Figura 1.11). Tales discontinuidades geológicas mayormente controlan el sobrequiebre y estabilidad alrededor de los muros de tajeo expuestos. Este es particularmente el caso para aquellas discontinuidades que tienen relleno mineral escamoso y susceptible al agua como el talco, la clorita y sericita.
12 FIGURA 1.10
Desempeño de tajeo: masa rocosa tabular con buzamiento somero, Mina Davyhurst. (De Parker, B. 2004.
Geotechnical Study of Shallow Dipping Orebodies – Mina de Oro Subterránea Lights of Israel. Tesis de
Bachiller en Ingeniería, Departamento de Ingeniería de Minas, WA School of Mines, Curtin University of Technology, Perth, Western Australia, Australia.)
FIGURA 1.11
13 FIGURA 1.12
Vista en planta de estructuras mayores que afectan el tajeo por subniveles – Yacimiento 1100, Minas Mount Isa (De Alexander, E.G. y Fabjanczyk, M.W. Extraction Design using open stopes for pillar recovery in the 1100
orebody at Mount Isa, en D.R. Stewart, ed. Design and Operation of Caving & Sublevel Stoping Mines, SME
de AIME, New York, 1981, pp. 437-458)
En algunos casos, puede conectarse la estabilidad con actividades en vacíos concurrentes a lo largo de los rumbos o buzamientos de características geológicas mayores tales como zonas de falla (Logan et al., 1993). Idealmente, la ubicación de las discontinuidades geológicas de gran escala está bien definida y la mayoría de minas de tajeo abierto tienen un modelo tridimensional de la red local de fallas/zonas de cizalla (Figura 1.12). Estas características también pueden estar sísmicamente activas, aumentando más los desprendimientos en los límites de la excavación, especialmente en yacimientos angostos. Cuando se exponen estructuras de gran escala, generalmente es muy difícil controlar el sobrequiebre de muros de tajeo, a pesar de las prácticas de voladura utilizadas, y sólo puede minimizarse mediante el secuenciamiento de tajeo.
El comportamiento de muros de tajeo también es una función del número, tamaño, frecuencia y orientación de las discontinuidades geológicas de escala menor. Tales redes de discontinuidad usualmente controlan la naturaleza y cantidad de sobrequiebre en los límites del tajeo. Las técnicas de caracterización de la masa rocosa pueden usarse para estimar las formas y tamaños de los bloques que probablemente queden expuestos en los muros finales del tajeo. Las características del conjunto de discontinuidad geométrica (tamaño, frecuencia, orientación, persistencia, resistencia de superficie, etc.) relativo a los muros del tajeo mayormente controlan la cantidad de dilución experimentada en esas paredes (Figura 1.13). Las diaclasas individuales tienen tamaño limitado y pueden terminar ya sea en roca intacta, formando un puente de roca intacta, o contra otra estructura dentro de una red de discontinuidad. Estos puentes de roca intacta son significativamente más fuertes que las discontinuidades que ocurren naturalmente y proporcionan mayor resistencia a falla dentro de una masa rocosa.
14 FIGURA 1.13
Ejemplo de desprendimiento a gran escala de lapa y caja respaldo de tajeo. (De Villaescusa, E., A review of sublevel stoping, en G. Chitombo, ed., Proceedings of the MassMin 2000, Brisbane, Queensland, Australia, 29 de Octubre a 2 de Noviembre, 2000, pp. 577-590), AusIMM, Melbourne, Victoria, Australia. Con autorización.)
1.4.3 Esfuerzos Inducidos
La extracción dentro de un bloque de tajeo puede generar grandes concentraciones de esfuerzo alrededor de los límites de la excavación. Si los esfuerzos locales (inducidos) aumentan más allá de la resistencia de una masa rocosa, entonces ocurrirán cambios en la calidad de la masa rocosa alrededor de un tajeo, y es probable que se experimenten fallas localizadas ya sea siguiendo las superficies de discontinuidad o directamente a través de la roca intacta. Donde ocurre movimiento por las discontinuidades, los esfuerzos se alivian. Esto a su vez puede conducir a sobrequiebre, dilución, o fallas grandes (Figura 1.14).
Los cambios en la calidad de la masa rocosa alrededor de los límites de un tajeo son resultado de una combinación de redistribuciones de esfuerzo, daño de voladura cercana al campo, y los efectos de la excavación misma. En los casos donde las fallas de muro de tajeo no ocurren debido a la
15 concentración de esfuerzos, la vibración y los gases de la voladura cercana pueden dañar los puentes de roca intactos, que definen y enclavan los bloques de roca in situ, causando sobrequiebre o dilución en los límites del tajeo. Más aún, el comportamiento dinámico de un muro sin sostener se relaciona directamente con la cantidad de roca intacta disponible dentro de la masa rocosa. A menos roca intacta disponible, el proceso de voladura ocasionará más agrietamiento, rebanado y desplazamiento visible de muro de tajeo.
FIGURA 1.14
Falla de cresta de tajeo de banco relacionada con esfuerzo luego de la voladura en anillo.
Además, también pueden ocurrir fallas de muro de tajeo debidas a cambios de esfuerzo de naturaleza tensional (Bywater et al, 1983). La extracción de tajeo en un yacimiento destensado puede llevar a esfuerzos normales de muy baja magnitud a través de algunos de los muros expuestos. Pueden ocurrir fallas tipo pandeo, dependiendo de la frecuencia de discontinuidades paralelas a un muro de tajeo, el tamaño y frecuencia de cualquier discontinuidad cruzada, y el tamaño y forma de los tramos expuestos (Figura 1.15).
1.4.4 Sostenimiento del Terreno
Para reducir las deformaciones experimentadas en los límites del tajeo (coronas, muros y caballones), puede emplearse el refuerzo por empernado de cable provisto en locaciones seleccionadas, usualmente limitado por la distancia entre subniveles de perforación. Los muros del tajeo se pre-refuerzan antes de cualquier disparo en el tajeo y, en la mayoría de los casos, los pernos de cable se instalan desde anillos perforados dentro de las galerías de acceso al tajeo. De esta manera, el refuerzo de muros de tajeo tiende a localizarse en bandas continuas separadas por la distancia entre los intervalos de subnivel. La función de dicho arreglo es dividir los muros del tajeo en un número de tramos de muro de tajeo estables así como detener fallas de la caja respaldo arriba del buzamiento (Figura 1.16).
Puede usarse también sostenimiento de relleno para minimizar las deformaciones experimentadas por los muros del tajeo a la vez que se provee una contención para cualquier masa rocosa adyacente.
16 En general, es necesario el relleno cementado para recuperar mineral de tajeos secundarios donde se requiere exposiciones de relleno estables para minimizar la dilución. El relleno cementado es esencial en patrones de extracción de tablero de ajedrez dentro de
FIGURA 1.15
Falla de caja respaldo de tajeo de gran escala, controlada estructuralmente. (De Villaescusa, E., A review of sublevel stoping, en G. Chitombo, ed., Proceedings of the MassMin 2000, Brisbane, Queensland, Australia, 29 de Octubre a 2 de Noviembre, 2000, pp. 577-590), AusIMM, Melbourne, Victoria, Australia. Con autorización.)
FIGURA 1.16
Falla grande de caja respaldo de tajeo detenida por una fila de pernos de cable instalados antes de los disparos en el tajeo. (De Villaescusa, E., A review of sublevel stoping, en G. Chitombo, ed., Proceedings of the MassMin
2000, Brisbane, Queensland, Australia, 29 de Octubre a 2 de Noviembre, 2000, pp. 577-590), AusIMM,
17 FIGURA 1.17
Operaciones de extracción continua y relleno en tajeo de banco.
yacimientos masivos (Bloss, 1992), mientras que el relleno no cementado se utiliza normalmente conjuntamente con operaciones de tajeo de banco (Villaescusa y Kuganathan, 1998). En la Figura 1.17 se muestra un ejemplo de estrategia de extracción de tajeo de banco ligada a relleno. Aquí, la longitud del muro expuesto usualmente se limita a un valor crítico, definido por la distancia entre el relleno y la cresta de banco que avanza (Villaescusa et al., 1994).
1.4.5 Daño de Voladura
El daño de voladura a una masa de roca disparada se refiere a cualquier deterioro de la resistencia de la roca remanente debido a la presencia de grietas inducidas por el disparo y a la apertura, cizallamiento y extensión de planos de debilidad pre-existente o recién generados (Figura 1.18). Generalmente se acepta que el daño es causado por gases de expansión a través de las discontinuidades geológicas y por las vibraciones experimentadas en el proceso de voladura. Sin embargo, no es fácil establecer la contribución aproximada al daño causada por los gases de expansión, pues es difícil medir su ruta dentro de una red de discontinuidades de masa rocosa. Sin embargo, se puede observar regularmente rotura inducida significativa cuando los gases explosivos están bien confinados dentro de un volumen de roca, y en algunos casos los gases pueden viajar bastante más allá de la ubicación de las cargas explosivas.
El daño por la energía de choque de una carga explosiva próxima a una voladura puede relacionarse con el nivel de vibraciones medido alrededor del volumen disparado. Los disparos repetitivos también imponen una carga dinámica sobre los muros de tajeo expuestos fuera de un volumen disparado y pueden activar desprendimientos controlados estructuralmente y sobrequiebre en último término. Se puede usar monitoreo de voladura convencional y técnicas geofísicas sencillas para medir los efectos de la voladura sobre el campo cercano. Los niveles de vibraciones y frecuencias de la onda de choque pueden medirse con exactitud razonable (Fleetwood, 2010). Estos datos pueden relacionarse con el daño siempre y cuando pueda estimarse la contribución (al daño total) de la energía de choque. Los niveles de vibración y frecuencia en los tramos medios de los muros de tajeo instrumentados pueden usarse para caracterizar la respuesta dinámica a la voladura en los límites del tajeo (Villaescusa y Neindorf, 2000).
18 FIGURA 1.18
Daño estructuralmente controlado alrededor de un taladro en una cresta de tajeo abierto. (De Villaescusa, E., A review of sublevel stoping, en G. Chitombo, ed., Proceedings of the MassMin 2000, Brisbane, Queensland, Australia, 29 de Octubre a 2 de Noviembre, 2000, pp. 577-590), AusIMM, Melbourne, Victoria, Australia. Con autorización.)
1.4.6 Arreglo de Galería de Perforación
Factores adicionales tales como galerías mal ubicadas o pre-existentes, que socavan los muros del tajeo, también contribuyen a la dilución o el desprendimiento en los límites del tajeo. En general, el número y ubicación de galerías de perforación en el tajeo abierto usualmente son funciones de la anchura del yacimiento. En yacimientos amplios, se utiliza galerías de perforación de caja respaldo y lapa para proveer refuerzo de perno de cable y para minimizar el impacto de la voladura en los límites del tajeo (Figura 1.19). En dichos casos, la perforación y voladura pueden efectuarse en un plano paralelo a los muros finales del tajeo o a cualquier masa de relleno expuesta. Se puede determinar valores apropiados de distancia de separación para los huecos perimétricos paralelos a un límite de tajeo dependiendo del tipo de roca y del tamaño de hueco que se esté usando (Villaescusa et al., 1994).
Se puede experimentar daño de muro, dilución, y pérdida de mineral excesivos en los casos donde el tajeo requiere perforar taladros en ángulo con una exposición de relleno planeada o un límite de tajeo. Más aún, la desviación de taladros en el fondo puede crear una superficie de tajeo dispareja,
19 impidiendo así el escurrimiento efectivo del material quebrado a los puntos de recolección del tajeo. Además, la desviación del taladro puede causar confinamiento excesivo en el fondo del mismo, causando así una rotura más allá de los límites del yacimiento.
FIGURA 1.19
Galerías de perforación mellizas que permiten perforar en paralelo a los límites del tajeo. (Cortesía de Minas Mount Isa, Queensland, Australia.)
1.5 Alcance y Contenido de este Libro
El tajeo abierto por subniveles – incluyendo variantes tales como el tajeo de bancos – es uno de los métodos de minado más ampliamente utilizados en minería subterránea. Las mejoras de tecnología durante los últimos 30 años han visto incrementos en el espaciamiento de subniveles debido a los avances en la perforación de taladros de producción más largos y precisos, así como avances en los tipos, cargas y sistemas de iniciación de explosivos. También ha habido mejoras en las chimeneas de arranque ya sea mediante explotación por cráteres invertidos, contramina a perforación de taladros largos o perforación ascendente. Los aumentos en el espaciamiento de subniveles han significado muros de tajeo más grandes que deben pararse sin colapsar. Por lo tanto, se requiere una comprensión de la caracterización de la masa rocosa para minimizar la dilución y aumentar la recuperación. Se requiere metodologías para diseñar tramos abiertos, pilares, refuerzo de roca y rellenos óptimos. Además, en el mismo período, se ha desarrollado mayor comprensión respecto al secuenciamiento de bloques de tajeo para minimizar concentraciones de esfuerzos in situ. En el futuro, es probable que el tajeo por subniveles se practique a profundidades cada vez mayores (Thomson y Villaescusa, 2011) y se necesita mejor comprensión de todas las variables requeridas para optimizar el método.
Este libro se ocupará del tema en nueve capítulos como sigue: 1. Introducción
2. Geometría del Tajeo por Subniveles 3. Planeamiento y Diseño
4. Caracterización de la Masa Rocosa 5. Diseño de Tramos y Pilares
20 6. Perforación y Disparo
7. Refuerzo y Sostenimiento de Roca 8. Relleno de Mina
9. Control de Dilución
Los temas de capítulos se presentan conforme al proceso convencional de tajeo por subniveles utilizado por la mayoría de empresas mineras, en el que se elige una geometría de tajeo por subniveles para un método de minado particular, disponibilidad de equipo y experiencia del personal. El planeamiento de la infraestructura de acceso y secuencias de extracción general toma en cuenta la información de caracterización de la masa rocosa, que primero se recoge del proceso de delineación del yacimiento. Al planeamiento detallado de cámaras y pilares le sigue el desarrollo del acceso, donde se realiza la perforación y voladura de producción. El sostenimiento del terreno se vuelve un aspecto importante para proporcionar acceso seguro al personal y equipo a un número limitado de áreas donde se realizan las actividades de tajeo abierto. Luego de la extracción, se dispone de un número de estrategias para rellenar los vacíos de tajeo resultantes, en las cuales es crítica la reconciliación del control de dilución y pérdida de mineral para lograr la más económica extracción del mineral.
El libro ha sido escrito principalmente para estudiantes universitarios del cuarto año que todavía no están familiarizados con el método de minado. El libro presenta la tecnología de punta así como los resultados de la investigación aplicada en la Escuela de Minas de Australia Occidental (WASM, por sus siglas en inglés) y, por ende, el libro podría usarse para investigación de estudiantes de post-grado. Además, algunos profesionales mineros e ingenieros consultores junior pueden encontrar útil el libro.
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Geometría del Tajeo por Subniveles
2.1 Introducción
En el tajeo por subniveles, el mineral se quiebra mediante perforación y disparo. El acceso al tajeo se logra con galerías de minado, perforación y extracción, a las que puede accederse ya sea transversal o longitudinalmente con respecto al rumbo del yacimiento. La primera etapa es crear una chimenea entre los horizontes verticales que definen el tajeo planeado. Esto se logra agrandando una chimenea apropiadamente ubicada o un pique ciego de taladro largo (LHW, por sus siglas en inglés). La chimenea de arranque se crea como un vacío de expansión en el cual se forma el resto del tajeo con la voladura secuencial de los taladros de producción. En la mayoría de los casos, los taladros de producción se perforan en anillos paralelos al buzamiento del yacimiento entre las galerías de perforación. El minado prosigue con el disparo secuencial de los anillos de producción en el vacío que avanza con el mineral quebrado que se recupera de un horizonte de extracción específico (Figura 2.1). La sección siguiente describe las geometrías de tajeo requeridas para lograr producción con el tajeo abierto por subniveles.
2.2 Geometrías de Tajeo 2.2.1 Chimenea de Corte
Los tajeos abiertos por subniveles se crean mediante la voladura secuencial de anillos de producción en una chimenea de expansión inicial, llamada chimenea de corte. Esta abertura inicial se usa para crear espacio suficiente para que la porción restante del tajeo se quiebre dentro del mismo (Figura 2.2). La chimenea de corte generalmente se ubica a un lado o al centro de un tajeo ya sea transversal (cruzada) o longitudinalmente con relación al rumbo del yacimiento. Un punto importante está relacionado con el hecho de si el disparo de corte expondrá un muro crítico del tajeo, tal como una caja respaldo o masa de relleno, a una etapa muy temprana en la secuencia de disparos del tajeo. Las chimeneas de corte se disparan hacia arriba de subnivel en subnivel a fin de exponer toda la altura del tajeo. En cada nivel, las chimeneas de expansión se forman disparando secuencialmente taladros paralelos dentro de un pique ciego o un taladro de perforación ascendente. La chimenea debe ampliarse hasta la anchura completa del plano definido por los taladros de producción que posteriormente serán disparados en esta abertura inicial.
22 FIGURA 2.1
Limpieza de producción a control remoto en tajeo abierto por subniveles.
FIGURA 2.2
23 Durante la voladura de la chimenea de corte normalmente se usan altos factores de explosivo a fin de asegurar la rotura y de ese modo tener una cara libre y un vacío disponible dentro del cual pueda dispararse el resto del tajeo. La elección de locación de la chimenea depende de las condiciones de la masa rocosa, acceso al tajeo, y la secuencia de extracción seleccionada. En un yacimiento con buzamiento empinado, donde el límite crítico del tajeo usualmente es una caja respaldo inclinada, se usan chimeneas orientadas transversalmente para asegurar la exposición secuencial de la caja respaldo con los anillos de producción. En yacimientos grandes y masivos, la orientación de la chimenea también es controlada por factores tales como exposiciones del relleno, régimen de esfuerzos, y el acceso preestablecido (Bloss y Morland, 1995).
En general, una chimenea debe diseñarse de modo que se minimicen las fallas dentro de los anillos principales o de producción. En pilares con alto esfuerzo, una chimenea normalmente puede orientarse con el esfuerzo mayor principal para seguir de cerca los taladros de producción principales. Es probable que esto minimice el estrechamiento o dislocación del taladro debido al daño relacionado con esfuerzos. En los casos donde puede rediseñarse el acceso al tajeo, la chimenea debe ubicarse perpendicular a cualquier característica geológica de gran escala con probabilidad de fallar y dañar las geometrías del anillo principal (Figura 2.3).
El daño a las masas de relleno por voladura de chimenea de corte puede minimizarse colocando un anillo de limpieza entre un corte y un límite de tajeo (Figura 2.4). La masa rocosa adyacente a una masa de relleno usualmente está preacondicionada por redistribuciones de esfuerzos y es probable que falle luego del disparo de un anillo de limpieza.
A fin de minimizar las fallas de caja respaldo, las chimeneas de corte se orientan transversalmente al rumbo del yacimiento. Esto permite exponer secuencialmente el plano de la caja respaldo dentro de un rango estable predeterminado. En las extracciones de tajeo secundario, donde las chimeneas de corte pueden ubicarse paralelas (y adyacentes) a una caja respaldo de tajeo, la
FIGURA 2.3
Exposición de características geológicas débiles por una chimenea de corte. (a) Mal diseño (preliminar) y (b) diseño mejorado (real).
24 FIGURA 2.4
Geometría de anillo de limpieza para minimizar daño por voladura al relleno.
chimenea de expansión expone un plano completo de caja respaldo a comienzos de la secuencia de voladura. Esto usualmente limita el tamaño de exposiciones que pueden excavarse con seguridad, ya que este muro crítico del tajeo puede fallar cuando se le somete a carga dinámica repetitiva por el resto de disparos del tajeo como se muestra conceptualmente en la Figura 2.5. Además, cuando se accede centralmente a los tajeos, el diseño de perforación requiere que los taladros toquen fondo en cualquier masa de relleno contigua, aumentando así la probabilidad de dilución.
2.2.2 Anillos de Producción
La forma de un tajeo de diseño se logra disparando secuencialmente anillos de taladros cargados en la abertura creada por la chimenea inicial de expansión o de corte. Los tajeos usualmente se rebanan de subnivel en subnivel, disparando los anillos hacia la chimenea de corte abierta. Los anillos de producción se disparan secuencialmente, intentando minimizar el socavamiento de la porción sólida interior de un tajeo. Se mantiene una cara aproximadamente recta a lo largo de toda la altura del tajeo disparando un número similar de anillos en cada subnivel. La secuencia de disparo avanza hacia arriba como se muestra en la Figura 2.6. El mantener una cara recta en retirada minimiza la creación de crestas o esquinas grandes, que pueden tener mucho esfuerzo o interceptar estructuras de gran escala, contribuyendo así al desprendimiento del tajeo. A su vez, esto puede afectar seriamente la productividad durante las operaciones posteriores de limpieza de producción.
2.2.3 Anillos de Diafragma
Los anillos de diafragma consisten en anillos perforados paralelos a una exposición de relleno. Los propósitos de un anillo de diafragma son impedir la falla del relleno en una masa de relleno cementado débil conocida, contener el relleno no cementado en tajeos contiguos, e impedir falla del relleno por exposiciones de dimensión mayor que la considerada estable. La experiencia ha demostrado que aunque partes de un diafragma contra relleno sí se desprenden, esto raramente ocasiona una excesiva dilución de relleno, pues la masa de relleno permanece comparativamente sin perturbar, en comparación a cuando la voladura ocurre junto al relleno (Figura 2.7). Un diafragma no tiene capacidad de portar carga y por ende es probable que se deforme considerablemente. Sin embargo, cuando una porción grande del diafragma permanece intacta, esto permite una limpia extracción del tajeo hasta que el diafragma es disparado o el tajeo se completa.
25 FIGURA 2.5
Carga dinámica de un plano de caja respaldo totalmente expuesto.
2.2.4 Socavación Inclinada
La porción inferior de un tajeo se conforma utilizando anillos de socavación inclinada (TUC, por sus siglas en inglés) a fin de facilitar la extracción del mineral fragmentado hacia y desde los puntos de recolección del tajeo. Un anillo TUC consiste en taladros ascendentes paralelos, perforados con inclinación hacia la chimenea de corte. Generalmente los fondos del anillo TUC se enclavan con los fondos de los taladros descendentes del anillo principal del subnivel de arriba (ver Figura 2.8). La perforación y voladura de los TUC usualmente se efectúa usando taladros de diámetro relativamente pequeño (70-89 mm) comparados con los taladros de producción. Utilizando dichos taladros de diámetro pequeño se logra una distribución mejorada de explosivo que probablemente minimice el daño a la masa rocosa alrededor de los puntos de recolección. Una desventaja es la
26 FIGURA 2.6
Vista de una sección longitudinal que muestra dos estrategias de voladura de producción.
FIGURA 2.7
27 FIGURA 2.8
Secuencia de disparo de un TUC con anillos de producción en un tajeo abierto.
longitud de perforación limitada que se logra, y la incapacidad para igualar la línea de mínima resistencia de un barreno (burden) perforado para los taladros del anillo de producción inmediatamente arriba.
Debido a que los anillos TUC se perforan con un burden distinto a los anillos de producción, la porción inferior de un tajeo usualmente se vuela antes de los anillos principales, lo cual puede llevar a
28 desprendimiento, especialmente en casos donde están presentes discontinuidades geológicas grandes o en regiones de alta redistribución de esfuerzos.
FIGURA 2.9
Geometría de punto de recolección transversal fijo en tajeo por subniveles. P, tajeo primario, S, tajeo secundario.
2.2.5 Puntos de recolección
La limpieza de producción puede efectuarse longitudinal o transversalmente a través del rumbo de un yacimiento. La limpieza transversal requiere introducir geometrías de punto de recolección fijo y especializado que puedan ubicarse fuera del límite de un yacimiento (Figura 2.9). Los factores considerados durante el diseño de puntos de recolección incluyen el tamaño del equipo, distancia de acarreo desde las galerías de acceso, y la gradiente y orientación con respecto a un límite de tajeo. Las dimensiones del punto de recolección deben ser suficientes para corresponder con el equipo, pero mantenidas tan pequeñas como sea posible para minimizar la inestabilidad. El acceso al punto de recolección debe ser recto y restringirse a 15-20 m de una galería de acceso de tajeo a la cresta del mismo. Esto asegurará que no se requiera ventilación adicional durante la limpieza, y también que la parte trasera de la unidad de limpieza esté dentro del punto de recolección. El espaciamiento de los puntos de recolección se determina por las condiciones del terreno y la geometría del tajeo. En la mayoría de los casos, el espaciamiento mínimo utilizado es 10-15 m entre líneas de centro.
2.3 Tajeos Abiertos de Capas Múltiples
Los tajeos de capas múltiples se extienden verticalmente sobre un número de intervalos de subnivel, en algunos casos superando cientos de metros en extensión vertical. El método requiere la voladura secuencial de los anillos de producción en una abertura vertical inicial formada por una chimenea de corte. La rotura del mineral se logra con anillos de taladros paralelos o en abanico, dependiendo del tipo de acceso de perforación utilizado. Los TUC se desarrollan en la base de los tajeos a fin de dirigir el mineral quebrado a los puntos de recolección para la extracción. El refuerzo con perno de cable de la caja respaldo y coronas del tajeo puede proporcionarse desde galerías de perforación convenientemente ubicadas.
El número de puntos de recolección usualmente es función del tamaño del tajeo, pero en la mayoría de los casos se diseñan por lo menos dos puntos de recolección. Debido a que la ubicación del punto de recolección es fija, puede lograrse un refuerzo permanente a un costo mínimo por unidad de mineral extraído. En cada una de las otras locaciones de subnivel se requiere acceso al tajeo
29 para fines de perforación, voladura y relleno (Figura 2.10). Generalmente, en cada subnivel se requiere un solo acceso de crucero, disminuyendo significativamente el desarrollo en desecho. En general, los tajeos de capas múltiples minimizan el empernado con cable del techo dentro de los subniveles intermedios debido a que un techo permanente (área completa) sólo se expone en la corona real de un tajeo. La cobertura con empernado de cable en una corona de tajeo es función del grado de desarrollo dentro del subnivel superior. Además, los requerimientos de refuerzo permanente dentro de cualquier subnivel intermedio se minimizan por el hecho de que todas las exposiciones de techo dentro de las galerías de perforación se consumen con el proceso mismo de tajeo.
FIGURA 2.10
Secuencia de actividades de minado dentro de un tajeo abierto por subnivel de capas múltiples en la Mina Kanowna Belle.
El tajeo por subniveles múltiples convencional requiere la exposición secuencial de muros de tajeo altos verticales y cortos horizontales que probablemente permanezcan estables y proporcionen mineral sin diluir. No es probable que las longitudes de rumbo expuestas durante la extracción inicial del tajeo excedan los tramos de tajeo estables críticos. A medida que se agranden las excavaciones y se disparen varios anillos secuencialmente en el espacio formado por el corte y los anillos de
30 producción iniciales, los esfuerzos confinantes se reducen, se induce energía de tensión de exceso y se experimenta el desplazamiento de los muros del tajeo. Dependiendo de la naturaleza estructural de los muros expuestos, la roca puede tender a desplazarse siguiendo un comportamiento laminar, en el cual un grupo de capas se mueven juntas (en roca estratificada), o el movimiento puede ser aislado a bloques individuales que rotan y se deslizan parcialmente unos contra otros.
2.3.1 Yacimientos Tabulares
El arreglo para tajeos por subniveles de capas múltiples en yacimientos tabulares usualmente se asocia con el empleo de taladros largos perforados desde galerías paralelas al rumbo del yacimiento. Dependiendo de la anchura del yacimiento, estas galerías de perforación pueden tener la anchura total del yacimiento o localizarse en los límites de los yacimientos. En dichos yacimientos, los límites del tajeo usualmente están bien definidos por el yacimiento mismo. Para cada tajeo pueden definirse la corona, caja respaldo, lapa, muros extremos y un punto de recolección. La estabilidad de las coronas y cajas respaldo de tajeo es usualmente el más crítico factor en el diseño del tajeo y en las secuencias de extracción relacionadas. Un diseño convencional consiste generalmente en subniveles de perforación múltiples con un solo horizonte de limpieza en el fondo del tajeo como se muestra en la Figura 2.11.
Una de las ventajas de este diseño es que la perforación y voladura pueden efectuarse en un plano paralelo a los muros del tajeo final. Se usan galerías de perforación de caja respaldo y lapa para minimizar el impacto de la voladura en los límites del tajeo, disminuyendo grandemente la probabilidad de dilución debida al daño por voladura. Además, el método reduce el desarrollo del tajeo en desecho, dado que, salvo por el horizonte de limpieza, realmente se requiere un solo acceso de perforación de tajeo en cada locación de subnivel.
En los casos donde el tajeo por subniveles se usa para extraer yacimientos grandes pero tabulares que tienen una caja respaldo con buzamiento moderado, la extracción puede dividirse en un número de tajeos primarios, secundarios y a veces terciarios, que pueden extraerse en una secuencia de tablero de ajedrez. A fin de optimizar la estabilidad del tajeo, los muros del tajeo se diseñan verticalmente, salvo por la caja respaldo como se muestra en la Figura 2.12. Se pueden usar galerías de perforación paralelas a la caja respaldo para proporcionar refuerzo de perno de cable, y facilitar la perforación y voladura paralelos a los planos de la caja respaldo La estabilidad de la corona del tajeo puede optimizarse con la implementación de un subnivel flotante para optimizar el refuerzo con perno de cable. El uso de geometrías convencionales de punto de recolección aumenta la productividad.
31 FIGURA 2.11
Tajeo por subniveles en un yacimiento tabular con buzamiento empinado. (a) Vista de plan – horizonte de limpieza, (b) vista de planta – nivel intermedio, (c) vista de sección transversal – anillos de producción, y (d) vista de sección larga.
32
2.3.2 Yacimientos Masivos
El tajeo abierto en yacimientos masivos grandes consiste en una secuencia de minado que requiere varias etapas de tajeo juntamente con la aplicación de métodos de relleno retardado para permitir la recuperación de pilares. Usualmente, se diseña un número de tajeos entre los límites del yacimiento. En dichos casos, el tajeo comprende un número de etapas que incluye tajeos primarios, secundarios y terciarios que generalmente se extraen usando una secuencia de tablero de ajedrez. El número de exposiciones del relleno varía de ninguna (en un tajeo primario) hasta 3 exposiciones en las últimas etapas de tajeo (Grant y DeKruijff, 2000).
FIGURA 2.12
Diseño de tajeo para un yacimiento tabular grande.
Pueden diseñarse dimensiones verticales grandes con la altura de los tajeos usualmente limitada por el espesor del yacimiento o por la estabilidad de cualquier masa de relleno expuesta requerida para la extracción de tajeo secundario y terciario. Las dimensiones del tajeo en vista de planta usualmente son limitadas por la inestabilidad de la corona del tajeo. El mineral quebrado se extrae en la parte del fondo del tajeo (Figura 2.13).
33 En los casos donde las condiciones del terreno son favorables, las dimensiones del tajeo pueden ser muy grandes en planta, lográndose la extracción total de la altura del yacimiento en un solo tajeo (Bloss, 1996). La perforación y voladura se realizan desde una serie de locaciones de subnivel con separaciones que varían de 40 a 60 m. Los taladros se perforan principalmente hacia abajo, con algunos taladros cortos ascendentes perforados dentro de los TUC y a veces en la corona del tajeo cuando no se dispone de acceso en la parte superior.
Luego de la extracción de pilares (tajeos secundario y terciario), se crea un número de exposiciones del relleno dependiendo de la ubicación del tajeo en la secuencia de minado. Temprano en la vida de un yacimiento masivo, los tajeos primarios usualmente representan una parte importante de la producción. A medida que aumenta la extracción del yacimiento, el paso a minado de pilares como método primario de extracción se vuelve evidente. En dichos casos, la
FIGURA 2.13
Tajeo de capas múltiples en un yacimiento masivo. (a) Vista de planta y (b) vista tri-dimensional.
estabilidad de las exposiciones del relleno es de importancia principal para lograr las cifras de producción de objetivo (Bloss y Morland, 1995).
En los casos donde el límite superior del yacimiento no coincide con la ubicación predeterminada del intervalo de subnivel superior, puede requerirse perforar en la corona del yacimiento o a través de la misma. Si la parte superior del yacimiento está por arriba de la más alta locación de intervalo de subnivel, pueden perforarse taladros ascendentes en la corona del tajeo para definir una forma de tajeo diseñada. En los casos donde el más alto subnivel está situado por arriba del límite del yacimiento, se pueden perforar taladros descendentes por la corona del yacimiento, volando la parte más baja de los taladros para definir una forma de tajeo. En ambos casos, la corona del tajeo permanece sin sostenimiento, y una alternativa preferida es desarrollar un subnivel “flotante” por la parte superior de los tajeos para facilitar el refuerzo de perno de cable profundo y la perforación de taladros paralelos a la corona diseñada del tajeo (Figura 2.14).
34
2.4 Tajeo de una Sola Capa
El diseño de una sola capa es el más básico arreglo para la extracción por tajeo abierto de subniveles. La forma y tamaño del tajeo son limitadas por dos subniveles: el horizonte de extracción o socavamiento, y el horizonte de perforación o de corte superior.
FIGURA 2.14
Estrategias de perforación y disparo para una corona de tajeo.
El acceso a los tajeos es mediante cruceros que salen de una galería de acceso permanente paralela al yacimiento. En efecto, este método requiere un sistema “móvil” de punto de recolección a medida que la extracción del tajeo avanza hacia arriba. Luego del relleno de un vacío de tajeo, un horizonte de perforación previo pasa a ser el nivel de extracción siguiente (Figura 2.15).
35 FIGURA 2.15
Vista tri-dimensional de un tajeo por subniveles de una sola capa.
FIGURA 2.16
36 A fin de optimizar la productividad de la limpieza, pueden requerirse hasta dos cruceros de acceso por tajeo en cada intervalo de subnivel. Esto realmente aumenta el desarrollo de acceso total en la proporción de desecho a tajeo real. El método exige muy buen control de la estabilidad del techo y cresta del tajeo, especialmente en un ambiente con altos esfuerzos. La redistribución de esfuerzos debido a la secuencia misma de tajeo puede crear fallas de techo significativas, especialmente si hay presencia de discontinuidades con buzamiento somero dentro de una masa rocosa. La Figura 2.16 muestra una configuración de extracción típica usando tajeos de una sola capa en la Mina Williams de Canadá, donde se han reportado ocurrencias de caída de rocas mayores dentro del pilar en el fondo del escalón por Bawden et al., (2000). Las caídas de roca demoraron el minado de aproximadamente 1 millón de toneladas conteniendo 300,000 onzas, afectando seriamente la producción de la mina.
Es probable que en alguna parte dentro de la secuencia de tajeo se formen extensos techos y pilares así como crestas con altos esfuerzos, y se requiera cobertura de empernado de cable completa para minimizar las fallas potenciales en cada locación de subnivel. La cobertura de empernado de cable completa requiere desescombrar el acceso del yacimiento en toda la anchura del tajeo, minimizando así los tamaños de tajeo que pueden desarrollarse con seguridad. En consecuencia, los tajeos de una sola capa tienden a ser aberturas relativamente pequeñas comparados con los tajeos de múltiples capas.
FIGURA 2.17
Secuencia de tajeo ideal para tajeos simples en una secuencia de extracción 1-4-7.
El desarrollo primario requiere la extensión del crucero de acceso del tajeo hasta una ubicación de caja respaldo propuesta, donde tanto los subniveles de perforación como de extracción se desestriban totalmente para permitir la instalación del refuerzo de empernado de cable. Además, la perforación de taladros paralelos se facilita también con geometrías de socavamiento y corte superior completos del tajeo. La perforación de taladros paralelos es la forma preferida en el tajeo de retiro vertical, que está relacionado con el tajeo de una sola capa. El método requiere una cantidad significativa de limpieza remota debido a la naturaleza de fondo plano de las geometrías de tajeo de una sola capa, aumentado de ese modo el costo total de minado en comparación con una geometría de punto de recolección de TUC convencional.
37 En yacimientos amplios, puede diseñarse un número de tajeos a través del rumbo en un área dada, y en todos los casos, los tajeos primarios adyacentes se extraen hasta un nivel por arriba del de un tajeo secundario. Este tipo de secuencia crea lo que se denomina un pilar pendiente. Un pilar pendiente es una pieza de terreno sólido que tiene muchos grados de libertad de movimiento, ya que la mayoría de tajeos a su alrededor han sido extraídos (Figura 2.17). En tales geometrías de tajeo puede experimentarse grandes fallas de pilares (Milne y Gendron, 1990).
2.4.1 Tajeo por Retirada de Cráteres Verticales Convencional
La retirada de cráteres verticales (RCV) es un método de tajeo de una sola capa donde la forma del tajeo se define por un horizonte inferior (socavamiento) y superior (corte superior) (Trotter, 1991). Se perforan taladros de gran diámetro a fin de minimizar la desviación y los taladros se cargan desde el corte superior y se disparan mediante rebanadas horizontales de mineral que avanzan del nivel de fondo al nivel superior (Figura 2.18). La separación entre la socavación y el corte superior es función de la estabilidad de muro de tajeo, la naturaleza del yacimiento y la precisión de la perforación.
FIGURA 2.18
Minado por RCV dentro de un tajeo de una sola capa.
Luego de la voladura, sólo se limpia una cantidad ligera de mineral quebrado, de modo que se dispone de espacio suficiente para rotura con un disparo posterior. Esto mantiene al tajeo lleno de roca quebrada, proporcionando así sostenimiento pasivo a los muros expuestos del tajeo hasta
38 completar la voladura del corte superior del tajeo. Una vez completada la voladura y limpiado todo el mineral dentro del tajeo, se cierran los accesos de socavación y se rellena el tajeo. A medida que el minado avanza hacia arriba, el corte superior del tajeo se convierte en el siguiente horizonte de limpieza en la secuencia.
El método tiene un número de ventajas percibidas incluyendo el requerimiento de pocos taladros de gran diámetro, probablemente para reducir la perforación total en el tajeo. Los taladros grandes permiten el uso de un mayor intervalo de subnivel, reduciendo así el costo total de desarrollo del subnivel. Se elimina el costo de hacer una chimenea y rebanar para crear un arranque, y todas las operaciones de perforación y carguío se efectúan desde el corte superior, aumentando de ese modo la seguridad.
La desventaja de este método es el potencial de daño de voladura por los cráteres en los límites del tajeo (Platford et al., 1989). No pueden usarse taladros de diámetro pequeño debido al cierre del taladro causado por el movimiento del terreno luego de los disparos individuales del tajeo (Hills y Gearing, 1993). Además, este método puede ser susceptible a mala fragmentación (desprendimiento) de las áreas sin sostenimiento definidas por la voladura, especialmente si se forma un techo disparejo y posteriormente se redistribuyen esfuerzos altos hacia arriba. El daño por voladura de cráteres es aún más perjudicial cuando hay presencia de discontinuidades geológicas de buzamiento somero dentro de una masa rocosa.
2.4.2 Tajeo por Retirada Vertical Modificada
Un método de retirada vertical modificado usa un pique ciego o chimenea perforada contracielo, que se ubica cerca del medio del tajeo, dentro del cual se dispara secuencialmente un patrón radiante de taladros en capas horizontales. La chimenea se usa para superar la cara libre limitada disponible en un tajeo por retirada vertical convencional. A fin de facilitar la voladura inicial, el método requiere un espaciamiento estrecho de los taladros cerca de la chimenea (Figura 2.19). Se disparan todos los taladros de una capa horizontal, y existe la posibilidad de daño de collar cuando los taladros interiores cerca de la chimenea no funcionan. Además, puede que continuamente se experimente daño de taladros (cierre, que requiere reperforación) dentro de la última capa en el tajeo con este método (Hills y Gearing, 1993). Por otro lado, se considera que el método es relativamente seguro porque no se efectúa ninguna abertura vertical dentro del tajeo hasta el último disparo.
FIGURA 2.19
39
2.5 Yacimientos Tabulares de Buzamiento Somero
Los yacimientos tabulares en los cuales el ángulo de buzamiento no permite que el flujo del mineral quebrado utilice la gravedad, pueden extraerse usando un tipo de tajeo por subniveles llamado tajeo por panel de retirada de taladro ascendente (Kaesehagen y Boffey, 1998). Típicamente, un yacimiento puede dividirse en paneles que corren paralelos al rumbo del yacimiento y buzamiento bajo definido como se muestra en la Figura 2.20. Los tajeos se extraen desarrollando un pique de extracción de lapa desde el cual pueden realizarse las operaciones de perforación, voladura y limpieza. Se accede a los tajeos desde un pique de lapa, con un arranque establecido en el extremo lejano de los paneles, y los tajeos se disparan progresivamente en retirada de regreso al extremo de acceso de un panel (Figura 2.21). Se proporciona refuerzo de perno de cable desde los piques de caja respaldo situados dentro de los tajeos primarios. Además, pueden dejarse pilares permanentes dentro de los tajeos secundarios para proporcionar sostenimiento adicional de caja respaldo. Los yacimientos planos pueden extraerse también con tajeos individuales conjuntamente con piques de empernado de cable y operaciones de relleno de mina. Los tajeos se extraen desarrollando un horizonte de TUC en desecho para permitir el flujo del mineral a los puntos de
FIGURA 2.20
40 FIGURA 2.21
Un tajeo por paneles de taladro ascendente sin sostenimiento luego de la extracción.
recolección del tajeo. Se realiza la perforación de taladros descendentes desde una serie de piques de caja respaldo, desde los cuales también se proporciona el refuerzo de perno de cable (Figura 2.22). Este método da como resultado un tiempo previo considerable de preparación del tajeo así como costos adicionales, ya que se desarrolla material no económico.
La extracción total del tajeo se retira buzamiento arriba y hacia el extremo de acceso de los piques de perforación. La experiencia indica que sólo la mitad de la caja techo de un tajeo previamente extraído puede llenarse efectivamente (buzamiento abajo). La metodología consiste en extraer tajeos que tengan piques de perforación simples o dobles, dependiendo de su ubicación con respecto al estribo del yacimiento y en relación del uno al otro en la secuencia de extracción. Alternar los piques de perforación simples y dobles es probable que optimice el refuerzo de la caja respaldo a medida que la extracción avance buzamiento arriba.
2.6 Tajeo por Bancos
El tajeo por bancos se usa para extraer vetas, lentes, filones relativamente angostos y con buzamiento empinado o cualquier depósito estratiforme que se extiende en dos dimensiones (a lo largo del rumbo y buzamiento abajo). El método involucra el minado inicial tanto de una galería de perforación como de extracción en toda la longitud y anchura del yacimiento (Figura 2.23). Se crea
41 FIGURA 2.22
Secuencia total de extracción y sección transversal mostrando el refuerzo de perno de cable.
un arranque agrandando una chimenea de corte (o pique ciego) situado cerca de la lapa del yacimiento. El arranque creado se usa como un vacío de expansión en cuyo interior se forma el resto del tajeo por bancos mediante la voladura secuencial de taladros de producción. En la mayoría de los casos, los taladros de producción se perforan en anillos paralelos al buzamiento del yacimiento entre las dos galerías (Figura 2.24).
El tajeo se realiza mediante el disparo secuencial de anillos de taladros descendentes (o ascendentes) en el vacío que avanza, y después se limpia el mineral remotamente a lo largo del yacimiento desde el horizonte de extracción (Figura 2.25). La probabilidad de dilución de mineral aumenta si se deja el mineral dentro del piso del tajeo por largos períodos de tiempo y las fallas de muro pueden causar pérdida de mineral o daño de unidades de limpieza.
El éxito del tajeo por bancos reside en la estabilidad de los tramos expuestos sin sostenimiento, la capacidad para proporcionar sostenimiento con empernado de cable y relleno, el estrecho control de la perforación y disparo, así como la aplicación de tecnología de limpieza remota (Villaescusa et al., 1994). Las geometrías de tajeo por bancos descendentes están conectadas a las secuencias generales de extracción buzamiento arriba conjuntamente con el relleno. Los tajeos por bancos ascendentes a menudo se extraen sin el empleo de relleno, y retroceden de arriba para abajo junto con pilares permanentes no recuperables.
En la mayoría de operaciones mineras, las alturas de banco se fijan durante las etapas iniciales del desarrollo de mina, y la estrategia de extracción es la única variable que puede usarse para optimizar la economía del tajeo por bancos. En los bancos descendentes, a la extracción le sigue el llenado de los vacíos con desecho, relleno de arena hidráulico, o agregado hasta el piso de la galería de perforación, que se convierte en la nueva galería de extracción en la capa siguiente buzamiento arriba. Se ha considerado un número de estrategias para el banqueo descendente
42 FIGURA 2.23
FIGURA 2.24
Vista de sección transversal típica y resultados de tajeo de bancos descendentes excepcional.
FIGURA 2.25
FIGURA 2.26
Extracción longitudinal de mineral junto con sostenimiento de relleno.
(Villaescusa y Kuganathan, 1998). Las más comunes involucran el uso de una masa de relleno seco continua (roca de desecho que tenga un ángulo de escalón entre 38º y 42º) que siga una cresta de tajeo de bancos que avanza a una distancia fija (sin exceder una longitud de rumbo sin sostenimiento) a lo largo de toda la longitud del banco (Figura 2.26).
También puede extraerse bancos usando relleno hidráulico, con los tajeos extendidos hasta una longitud máxima de rumbo estable sin sostenimiento, seguido de relleno junto con cerramiento de ladrillos. Después del relleno viene la recuperación de pilares y se repite el proceso a lo largo de toda la longitud del banco (Figura 2.27). Aunque esta estrategia se relaciona principalmente con el relleno hidráulico, el empleo de relleno cementado aseguraría que se experimente una dilución mínima de relleno luego de la recuperación de pilares. El relleno cementado sólo puede justificarse durante la extracción de yacimientos de muy alta ley. Aplicaciones recientes de relleno en pasta cementado están reemplazando el uso del relleno hidráulico, minimizando así la necesidad de cerramientos de ladrillo.
Otra estrategia es dejar pilares permanentes (planeados) entre tramos independientes (sin rellenar) de cajas respaldo a lo largo de toda la longitud del banco. El relleno se realiza al terminar el banco usando ya sea relleno seco o hidráulico (Figura 2.28). En esta estrategia, es crítico establecer las distancias óptimas entre pilares a fin de minimizar el número de pilares requeridos, especialmente en yacimientos de alta ley. Las dimensiones de pilar son función de las condiciones del terreno, los niveles de esfuerzo esperados, y la extracción óptima de los piques ciegos adyacentes, En masas rocosas débiles, la estabilidad de los tramos sin rellenar puede ser afectada por la voladura en tramos contiguos a lo largo del rumbo del yacimiento, pues los tramos individuales pueden mostrar comportamiento dependiente del tiempo con deformación. La Figura 2.29 muestra una estrategia
FIGURA 2.27
Relleno hidráulico y recuperación de pilar.
FIGURA 2.28
FIGURA 2.29
Tramos sin sostenimiento y pilares permanentes en tajeo de bancos con buzamiento somero.
de extracción de bancos de arriba para abajo basada en una combinación de tramos sin sostenimiento y pilares permanentes.
Los tajeos de banco también pueden extraerse utilizando una técnica de relleno continuo y ajustado llamada Avoca. Inicialmente, el tajeo de banco se extrae hasta una longitud estable máxima, seguido por relleno ajustado hasta la cresta. Cualquier voladura posterior se hace después sin cara libre como se muestra en la Figura 2.30. El éxito de este método está en función
FIGURA 2.30
de la estabilidad del relleno después de la voladura. Esto se controla con la anchura y altura del yacimiento y la humedad y granulometría del material de relleno utilizado.
No se ha considerado la opción de extraer un banco más allá de sus límites estables y luego dejar un pilar (no planeado) para detener una falla de caja respaldo porque no representa buen diseño o práctica operativa. La opción de extracción mostrada en la Figura 2.27 se relaciona con la extracción del banco usando pilares que han sido diseñados en etapas muy tempranas, y se asume que los tramos entre pilares son estables e independientes (desde el punto de vista deformativo) entre sí. Los bancos de taladro ascendente a menudo se relacionan con secuencias de extracción de arriba hacia abajo donde los yacimientos se dividen en bloques separados por pilares de corona horizontales. Los bancos individuales de taladro ascendente se definen dentro de un bloque, y retroceden hasta un crucero central o de acceso de extremo. Las alturas típicas de perforación de taladro ascendente varían entre 15 y 25 m, y los anillos individuales se inclinan hacia adelante (70º) para promover una cresta segura para las cuadrillas de carga de taladros de voladura. El diseño de anillos de volcado delantero reduce también el lanzamiento de limpieza, lo que a su vez minimiza la limpieza remota. El refuerzo de la caja respaldo se proporciona desde las galerías de perforación. Además, en masas rocosas de buena calidad, se puede introducir el relleno luego de la extracción de un bloque de tajeo entero (Figura 2.31).
FIGURA 2.31
Esquema de secuencias de extracción de bancos ascendentes, Mina Osborne.