técnica de taludes verticales

Universidad de Santiago de chile - DIMIN

Técnica de Taludes Verticales

Diseño y Planeamiento Minero

Diego Silva Calquín Andrés Saavedra González

21/10/2013

El presente documento da a conocer la descripción de la técnica de taludes verticales, su importancia de uso, ventajas versus limitaciones, a la vez de abordar un ejemplo práctico para facilitar la comprensión del lector.

Universidad de Santiago de chile - DIMINTécnica de Taludes Verticales

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INDICE DE CONTENIDOS

PÁGINA

1. INTRODUCCIÓN____________________________________________22. OBJETIVOS________________________________________________33. MARCO TEÓRICO___________________________________________4

3.1. Modelos de Falla______________________________________43.1.1. Falla plana____________________________________43.1.2. Falla por cuñas_________________________________53.1.3. Falla por volcamiento___________________________6

3.2. Caída de Rocas_______________________________________64. DESCRIPCIÓN DE LA TÉCNICA__________________________________7

4.1. Características generales_______________________________74.2. Perforación y tronadura________________________________84.3. Monitoreo___________________________________________84.4. Estudios_____________________________________________9

5. IMPORTANCIA DE USO _______________________________________96. VENTAJES, DESVENTAJAS Y LIMITANTES_________________________107. EJEMPLO PRÁCTICO_________________________________________118. CONCLUSIONES____________________________________________139. BIBLIOGRAFÍA______________________________________________13

Diseño y Planeamiento Minero – Diego Andrés Silva Calquín


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1. INTRODUCCIÓN

Con el correr de los años la industria de la minería se ha visto enfrentada a nuevos desafíos que la obligan a incorporar nuevas técnicas, además de más y mejor tecnología, para enfrentar el decrecimiento de las leyes y la profundización de rajos como consecuencia del envejecimiento de yacimientos en proyectos brownfield. Esto muchas veces tras una evaluación económica termina por descartar la alternativa de continuar expandiendo un rajo para acceder a más mineral en profundidad ya que las cantidades de estéril a remover se tornan escandalosas.

Al mismo tiempo muchos proyectos greenfield corren severo riesgo de no flotar en el contexto actual de bajo precio del metal y altos costos, que son considerados explotar por open pit y cuya envolvente de pit final arroja resultados negativos con altas razones estéril-mineral.

Como corolario del escenario anterior y de la necesidad, surgen alternativas como, en el caso de explotaciones a cielo abierto, cambiar el método de explotación pasando de minería superficial a minería subterránea, lo que involucra un enorme despliegue de capital por parte de los inversionistas, dado que el nuevo método requiere de nuevos expertos, nuevos equipos y nueva infraestructura, entre otros. Debido a la elevada inversión, es que surgen estudios que intentan buscar alternativas de menor costo, pero con recuperaciones que permitan mantener el negocio minero.

Como resultado de estos estudios, es que nace la explotación mediante taludes verticales, los cuales hacen posible alcanzar mayores profundidades removiendo menos estéril, permitiendo llegar, con una menor inversión, al mineral que se hubiese explotado con minería subterránea. Cabe destacar que esta técnica está aún en prueba y presenta algunas potenciales dificultadas que serán abordadas en el documento.



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2. OBJETIVOS

General:

Dar a conocer la técnica de taludes verticales, mostrando sus principales características y conceptos.

Específico:

Mostrar la descripción de la técnica de taludes verticales, su importancia de uso, ventajas versus limitaciones, a la vez de abordar un ejemplo práctico para facilitar la comprensión del lector



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3. MARCO TEÓRICO

3.1. Modelos de Falla

El conocimiento del comportamiento de un talud frente a sus posibles roturas, tiene repercusión en los costos y seguridad del proyecto. Ante esto las investigaciones deben ser suficientes como para caracterizar de la forma más certera posible las características geomecánicas del terreno.

Se presentan a continuación los tipos de fallas probables en un talud, cuando esta se encuentra dominada por estructuras y en el caso donde no existe control estructural.

3.1.1. Falla plana

Es aquella en el que el deslizamiento se produce a través de una única superficie plana. Siendo la más sencilla de las formas de rotura posibles, se produce cuando existe una fracturación dominante en la roca y convenientemente orientada respecto al talud. La representación semiesférica en la red de Schmidt de esta condición se observa en la Imagen 1, se prevé el deslizamiento cuando el rumbo de la familia de discontinuidades es similar al del talud y su buzamiento menor que este.

Imagen 1: Esquema Falla Plana



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3.1.2. Falla por cuñas

En este tipo de rotura se aprecia la existencia de dos familias de discontinuidades de rumbos oblicuos respecto al del talud, quedando el rumbo de este comprendido entre los de las familias de discontinuidades. La condición geométrica que hace posible el deslizamiento es Φ < ψi < ψti, Imagen 2.

Imagen 2: Esquema condición geométrica en Falla por Cuñas

Donde,

Φ : ángulo de fricción de la estructura.

ψi : ángulo de inclinación de la línea de intersección de la cuña

ψti : ángulo de inclinación del talud.

En proyección estereográfica esta condición se cumple si el punto de intersección de los círculos máximos de las dos familias de discontinuidades es exterior al círculo máximo que representa el talud; Imagen 3.

Imagen 3: Esquema Falla por Cuñas



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3.1.3. Falla por volcamiento

Una rotura por volcamiento se produce debido a la existencia de un set de fracturas paralelas o subparalelas y otro set perpendicular o sub-perpendicular. Estas estructuras forman bloques los cuales pierden la adhesión a la matriz y pueden rotar por sobre la base por efectos de la gravedad. La condición en la red de Schmidt se observa en la Imagen 4.

Imagen 4: Esquema Volcamientos

3.2. Caída de Rocas

Es el tipo de falla más simple, y sucede cuando una roca suelta, o varias, se movilizan producto de una pequeña perturbación que hace cambiar su estado desde reposo a movimiento, rodando por el talud hasta quedar detenida. Su predicción es muy difícil y por tanto se recurre comúnmente a métodos de contención de rocas en la caída más que al modelamiento de la falla misma, por lo tanto modelos de simulación de caída relativas de rocas sueltas son capaces de producir razonablemente exactas predicciones de trayectorias de caída de rocas.



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4. DESCRIPCIÓN DE LA TÉCNICA

4.1. Características generales

La técnica de taludes verticales en una explotación por “open pit” refiera a la aplicación de ángulos cara de banco verticales o próximos a la vertical (mayores a 80 grados), consiguiendo con ello que el ángulo de talud global aumente significativamente y consecuentemente disminuye la razón de remoción estéril a mineral, dado que prácticamente nos clavamos en el mineral. Cabe destacar que el macizo rocoso tendrá que tener una competencia superior a la convencional y el gasto en fortificación y medidas de contención de roca serán superiores, pero en la valorización económica el ahorro en costo de remoción absorbe completamente estos gastos.

Imagen 5: Relaciones geométricas según tipo de talud.

Se puede observar en la imagen que con la aplicación de taludes verticales se genera un ∆L (disminución en la horizontal lo que disminuye el estéril) y un ∆H (mayor alcance en profundidad para llegar al “ore body”)



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4.2. Perforación y tronadura

La técnica de taludes verticales, requiere un trato especial en la etapa de perforación y tronadura, en las proximidades del contorno del pit, donde se ubican espacialmente los bancos verticales, ya que la estabilidad del macizo podría ponerse en juego. Es por esto que la técnica de pre-corte y tiros amortiguados son usados en este caso, con perforadoras “down the hole” (DTH), a modo de minimizar el daño en la roca.

Por un lado el precorte, lo que hace es generar un plano de fractura artificial que actúa como filtro para las vibraciones que generan las tronaduras circundantes. Asimismo, consigue mejorar la estabilidad mecánica de los bancos, disminuyendo notablemente la probabilidad de deslizamiento y rotura del talud final. El menor agrietamiento y fracturación en la roca reduce en gran medida la infiltración de agua a través del talud, obteniendo una mejor resistencia frente a las inclemencias del tiempo, como lluvias y nevazones. Pero el mayor beneficio que representa el precorte en la mina, es el aumento del ángulo de Pit Final, que disminuye la razón de remoción reduciendo la cantidad de lastre a remover, aumentar las reservas explotables y alcanzar una mayor profundidad, si las condiciones geomecánicas de la mina así lo permiten.

Los equipos utilizados para la perforación de los tiros que darán forma los taludes verticales no son distintos de los que se utilizan normalmente en una explotación a rajo abierto con precorte.

Respecto a los explosivos, estos no varían pero sí se debe tener atención en la carga que se le realicen a los pozos dado que lo que no queremos un una pared lo menos dañada posible.

4.3. Monitoreo

Dado el riesgo de fallas o deslizamientos de material es este método, monitorear el talud es clave, es por ello que la observación visual, topografía constante con equipos ópticos y electrónicos, escaneo láser (i-site), estudios de sismicidad en áreas con riesgo, seguimiento satelital, son claves para prevenir eventos.



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4.4. Estudios

Tal como se ha mencionado, esta técnica de taludes verticales puede ser una alternativa a estudiar cuando un rajo se encuentra próximo al fin de su vida operacional para continuar con la explotación del mineral a mayor profundidad. En el caso presentado en el seminario “Taludes Verticales. Aplicación de MSEP. Seminario Minesight 2010”, se informa que la alternativa de la utilización de taludes verticales incrementa el VAN del proyecto en un 50% respecto de la opción subterránea.

En el caso de Chuquicamata, para completar la explotación del rajo y estudiar el comportamiento, Codelco ha iniciado explotaciones experimentales mediante utilización de taludes verticales.

5. IMPORTANCIA DE USO

Durante el transcurso de los últimos años, la ley promedio de cobre en los yacimientos en explotación ha disminuido notoriamente. Conocido es el caso de Chuquicamata, que durante 2006 registró una ley media de casi 1.2% de Cu, y en 2012 esta ley apenas alcanzó el 0.8%. Además, los costos de producción de las minas han aumentado paulatinamente desde el año 2000 (ver Anexo Imagen 8). Estos factores hacen que la optimización de los métodos y técnicas que se utilicen en la explotación de una mina cumpla un rol fundamental a la hora de evaluar económicamente el proyecto.

Sumado a los factores de leyes y costos, se encuentra que la profundidad de emplazamiento de los yacimientos es cada vez mayor. Grandes rajos, como el de Chuquicamata, están llegando al fin de su vida operacional, teniendo que analizar las posibles alternativas para extraer el mineral que se encuentra a mayores profundidades. En muchos casos, la alternativa elegida es pasar del rajo a un método de explotación subterránea, lo que supone una gran inversión dado que se necesitan nuevos expertos, nuevos equipos, nueva infraestructura y nuevas tecnologías. Y también está el caso de los proyectos que aún están en estudios. En éstos, si las condiciones así lo permiten, optar por un método de explotación superficial supone grandes ventajas en cuanto a los costos de operación, productividad, mecanización, energía demandada, dilución, selectividad, recuperación y condiciones de trabajo.

Es por estos factores que los estudios han apuntado a optimizar la explotación de los rajos, y algo determinante en el análisis económico de estos proyectos es la razón de remoción. Esta razón corresponde a la cantidad de estéril o lastre que debe ser retirado para obtener una tonelada de mineral. Esta proporción está en función de la forma del depósito, el ángulo de talud, el avance tecnológico, las leyes y el precio. De todos estos factores sólo se puede controlar el ángulo de talud, y gracias a la tecnología actualmente existente y los estudios del comportamiento geomecánico de los macizos, es posible alcanzar ángulos de talud verticales.



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En cuanto a la estabilidad del macizo, no sólo es necesario tener una roca de buena calidad, sino que también las condiciones de las discontinuidades deben ser adecuadas para que no ocurra deslizamiento planar, en cuña o volcamientos.

Pruebas del Instituto de Minería de Kola, Rusia, de caídas de rocas desde bancos de 24 metros, muestran que los taludes verticales no son más peligrosos en comparación con los bancos inclinados a 60 – 75°. Esto permite que las bermas de seguridad para prevenir que las caídas de rocas no alcancen el área de trabajo del pit no deban ser mayores a las usadas en los bancos con dichos ángulos de talud.

6. VENTAJES, DESVENTAJAS Y LIMITANTES

Ventajas· Permite aumentar el ángulo de talud global.· Disminuye la razón de Estéril / Mineral.· En un rajo en producción, aumenta la profundidad a la cual puede llegar, sin aumentar considerablemente su largo y ancho.· En proyectos nuevos, permite alcanzar con mayor rapidez la profundidad a la que se encuentra el mineral.· Considerando la alternativa de pasar de rajo abierto a minería subterránea, no requiere de una mayor inversión en expertos, equipos u otras labores.· Presenta, gracias al pre-corte, mayor resistencia a las inclemencias.

Tabla 1: Ventajas taludes verticales

Desventajas· La altura de banco se ve limitada.· Requiere de monitoreo intensivo.· Pueden darse caídas de rocas al pit.· Pueden presentarse grandes colapsos de bancos.· Puede requerir de mayor fortificación, ya sean pernos de anclaje, malla y/o shotcreate.

Tabla 2: Desventajas taludes verticales

Limitaciones· Requiere roca de buena calidad, tanto de cohesión, como falta de alteración.· Está condicionado por las discontinuidades.

Tabla 3: Limitaciones taludes verticales



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7. EJEMPLO PRÁCTICO

La mina Zhelezny ubicada en Kovdor, Rusia. Corresponde a una operación de rajo abierto, de la cual se extrae Apatita (utilizada para la producción de fertilizantes), Baddeleyita, que contiene zirconio y un gran abastecedor de magnetita. Su explotación comenzó el año 1959, inicialmente extrayendo solo magnetita a razón de 6 Mt/año de mineral. El rajo Zhelezny tiene 2,3 km de longitud; 1,7 km de ancho y su profundidad es de 170 m. El borde del pit se encuentra a 200 msnm.

En vista de las tendencias generales y los avances en materia de mecánica de rocas, Kovdorsky GOK, la empresa que opera la mina, decidió continuar el desarrollo del rajo Zhelezny a los niveles más bajos mediante el mismo método, por sobre la opción subterránea. Para evitar el ensanchamiento del borde del pit a nivel de superficie, lo que generaría mayores volúmenes de material estéril a remover, el equipo del proyecto se centró en la super-explotación minera de bancos con taludes verticales o casi verticales.

Imagen 6: Proyección del Pit Final mediante Taludes Verticales, Mina Zhelezny.

Los estudios geotécnicos iniciales permitieron a los expertos establecer parámetros de diseño y modelamiento geológico estructural 3D del depósito Kovdor, para predecir potenciales fallas de taludes. Se definieron cinco sectores del pit con sus correspondientes informaciones geológicas, y para cada uno se calcularon los ángulos de cara de banco, alturas de banco, y anchos de berma de seguridad.



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La información obtenida fue usada para desarrollar especificaciones para la excavación super profunda, usando métodos como las perforaciones y voladuras de precorte. Las especificaciones son usadas en conjunto con técnicas de alivio de presión de agua en los bancos, estabilización de roca débil mediante pernos, y minucioso seguimiento de la estabilidad de taludes. Para esto último, se utilizan tres métodos: observación visual, topografía con instrumentos electrónicos y ópticos incluyendo escaneo laser, y monitoreo de sismicidad en las zonas de alto riesgo.

Para el desarrollo de los taludes verticales, la empresa tuvo que mejorar tecnologías de perforación y tronadura. Para ello la mina introdujo iniciadores no electrónicos y se comenzaron a utilizar explosivos en emulsiones. A su vez se realizaron estudios de tronadura que definieron cinco categorías y para cada una, el burden, espaciamiento y largo de carga, calculados en relación a los diámetros de perforación, alturas de banco, tipo de emulsión y posición en la secuencia de voladura. En cuanto a perforación, se adquirieron equipos que trabajan con menores diámetros, para líneas de precorte, buffer y producción.

Imagen 7: Patrón típico de Perforación y tronadura en bancos de Mina Zhelezny.

La mina actualmente opera con bancos de 12 y 15 m de altura. Los ángulos de talud están en el rango de 35°-40° pero el objetivo a largo plazo es que sean lo más vertical posible.



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8. CONCLUSIONES

La técnica de taludes verticales supone un gran avance al presentarse como una alternativa viable para prolongar la vida de minas a rajo abierto. Mejora los indicadores económicos del proyecto al reducir la razón de remoción, como también evita realizar grandes inversiones de dinero para pasar a un método de minería subterránea en los casos en que con una inversión menor permiten extraer el mineral mediante minería superficial. A pesar de que supone un mayor costo en la etapa de perforación y tronadura, sus beneficios son mucho mayores en comparación al incremento del costo de la etapa.

Cabe destacar que se deben estudiar y conocer las características geomecánicas del macizo rocoso y la distribución de los sets de discontinuidades para determinar si es posible o no usar la técnica de taludes verticales.

Una vez que se tienen las paredes del borde del pit, es necesario realizar un atento monitoreo a la estabilidad del macizo, debido a que el colapso de un banco, en caso de ocurrir, será de grandes proporciones. Para evitar estas situaciones, se puede usar fortificación mediante el uso de pernos de anclaje, malla y/o shotcrete.

9. BIBLIOGRAFÍA

Stability in Open Pit Mining, First International Conference on Stability in Open Pit Mining, Vancouver, Canada, 1970.

Caracterización Geoestructural para diseño de taludes en minas a rajo abierto, Roberto Giglio B., 1992.

“Diseño de Precorte Mina Chuquicamata Fase 49 Norte Nivel 2866”. Patricio Antonio Brito Schneider, Trabajo de Título año 2012.

Presentación “Estabilidad de Taludes. Beneficio Técnico y Económico”. Diego Quezada Rojas.

Revista “Mining & Construction. Mechanized Rock Excavation with Atlas Copco. No 2 / 2010” Artículo “Going Super Deep!”.

Sumario del Artículo “Vertical Bench Slopes Used For Steeping Pit Final Walls”, Melnikov, N. N.; Reshetnyak, S. P.; Folkin, V. A.; Melik-Gaykazov, I. SME. OneMine.org

Artículo “Blasthole Drilling in Open Pit Mining”. Sección “Steep Wall Open Pit Mining at Zhelezny”


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