Diseño de Block /Panel Caving

Diseño de Block /Panel Caving
Geometría y disposición espacial
Criterios básicos:
• Yacimientos masivos, leyes uniformes, de grandes dimensiones y formas más o menos redondeadas.
• Sector con características geológicas y geomecánicas apropiadas para la aplicación del método.
• Análisis del beneficio económico que reporta el mineral de interés.

• Su aplicación a yacimientos pequeños se descarta, por no ser un método selectivo y requiere una fuerte inversión en obras de preparación.
• Mina en producción se debe considerar: infraestructura existente y “expertice” del personal.

Caracterización física

Considera:
• Obtención de un modelo geológico estructural que establezca características como ley, litología, mineralogía, texturas, alteración, presencia de agua y estructuras presentes.
• Evaluación de las propiedades geomecánicas del macizo rocoso, determinando parámetros relevantes para el diseño.

• Definir la calidad de los materiales rocosos que constituyen el “edificio minero” y las solicitaciones de cargas (tectónicas- gravitacionales) a que está sometido inicialmente.
• Establecer si el método más apropiado para explotar en forma económica, segura y eficiente el yacimiento en estudio.

Criterios subsidencia

Según Antonio Bello (1995) “Se conoce por subsidencia el fenómeno de asentamiento asociado a la construcción de excavaciones subterráneas, aunque en el mismo suelen verse involucrados diversos efectos. Su importancia radica en los efectos que puede producir en los edificios, construcciones o servicios en niveles superiores o la superficie.

Sombra
El concepto de “sombra” se entiende como la proyección en una cota inferior de una determinada área de interés ubicada en una cota superior, siendo el ángulo de esta
proyección en este caso, el ángulo de subsidencia de la zona inferior . Esta proyección de área de interés (sombra) ha sido estimada a partir de los ángulos de subsidencia por sector y elevación.

Criterios de fragmentación

Fragmentación
Desde un punto de vista geotécnico, existen diversos temas que están involucrados en el diseño de BC/PC siendo uno de estos el fenómeno de la Fragmentación. La Fragmentación en Block /Panel Caving consiste en la generación de bloques desde un macizo rocoso debido su socavación, y posee 3 etapas :
1)Fragmentación In Situ, 2) Fragmentación Primaria, 3)Fragmentación Secundaria

El predecir correctamente la fragmentación final que tendrá el macizo rocoso en los puntos de extracción es un tema sumamente importante para el diseño correcto de las dimensiones y espaciamientos de los puntos de extracción.

Fragmentación secundaria:
Después que los bloques comienzan a desprenderse desde el cave back, estos quedan apilados en una columna de extracción. Durante el proceso de extracción de mineral desde algún punto de extracción, todos los bloques apilados comienzan a bajar desde la columna de extracción y por consiguiente comienzan a fracturarse entre ellos (Fragmentación secundaria).

Fragmentación in situ:
Corresponde a los bloques intrínsecos que posee el macizo rocoso debido a sus discontinuidades previas a la socavación del macizo. En general, las dimensiones de estos bloques se pueden estimar desde información confiable de sondajes (discontinuidades y sus orientaciones). Además, debido al alto costo de llevar a cabo sondajes de exploración, es conveniente realizar estimaciones numéricas probabilísticas para predecir los supuestos bloques que deberían estar formados “in situ”. Algunas herramientas numéricas son FracMan (Golder Associates, 2009: Dershowitz et al., 1998), JKFrag (Eadie 2003) y Metodología El Teniente (Blondel y Soffia 1990)

Fragmentación primaria:
Cuando el macizo rocoso empieza a ser socavado, la roca que se encuentra inmediatamente arriba de la socavación (cave back) comienza a fracturarse debido a la redistribución de esfuerzos en el macizo rocoso. Estas nuevas fracturas producen nuevos bloques tal como puede ser apreciado en la Figura 1. Respecto a las metodologías de estimación de la fragmentación secundaria, existen varias alternativas que pueden ser utilizadas tales como: Block Caving Fragmentation BCF (Esterhuizen 1996), JKFrag (Eadie 2003), Size (Merino 1986), Metodología Fracman/Elfen (Rogers 2010), Macizo rocoso sintético SRM (Pierce et al. 2007)

Criterios Velocidad de Propagación del Caving

Una vez que se ha iniciado el caving continuo, la tasa de producción del block o panel caving dependerá de la velocidad a la que la cavidad se propaga después del sorteo y la creación de un pequeño vacío de aire en el que puede caer material derrumbado. En la práctica, esta tasa de la espeleología dependerá de la tasa de subcotización, la calidad de la masa rocosa y la magnitud de las tensiones inducidas.

Criterios de hundibilidad

Hundibilidad del macizo: La hundibilidad es una medida usualmente cualitativa de la predisposición que tiene un yacimiento a hundir (producir caving) bajo circunstancias particulares. En la práctica minera el problema es predecir la geometría del hundimiento (zona hundida) expresada como “radio hidráulico” (relación entre el área/perímetro) que se requiere para iniciar el proceso de caving del macizo rocoso dado un conjunto estimado de propiedades geotécnicas

Las propiedades geotécnicas corresponden a:
– Orientación de las estructuras, espaciamiento y persistencia.
– Estructuras mayores (ejemplo: fallas, diques)
– Esfuerzos in-situ y los esfuerzos inducidos por la excavación.
– Resistencia de las discontinuidades y del macizo rocoso.
– Geometría del hundimiento.
– Desconfinamiento, slot, o acondicionamiento del macizo rocoso

• Laubscher (1990), mathews y otros, han establecido una metodología para estimar el grado de hundibilidad del macizo rocoso.
• función del índice MRMR y del radio hidráulico RH de la base del bloque. El MRMR es una característica de la roca y el RH se obtiene en función de él. Mediante Rh = área de corte / perímetro de corte Se obtiene el área mínima de socavación que nos asegure que la roca va a hundir satisfactoriamente.

El flujo gravitacional de partículas describe un movimiento donde además del desplazamiento vertical hay una rotación (movimiento secundario). Los principales estudios sobre flujo gravitacional se han hecho para Sub Level Caving.
Teorías de Flujo Gravitacional:
• Teoría de Richardson.
• Teoría de Brown y Hawksley .
• Teoría de Janelid y Kvapil.
• Teoría de Laubscher .

Diseño de malla de extracción: La malla de extracción corresponde a la disposición geométrica de los puntos destinados a extraer el mineral. Queda determinada por:
– Forma como se realiza la extracción
– Tamaño de los fragmentos de roca a manipular
– Evaluación técnica-económica de alternativas

La configuración de los puntos de extracción debe perseguir la mayor regularidad geométrica, con el propósito de obtener una máxima recuperación de mineral y una mínima dilución con material estéril. Las configuraciones pueden ser cuadradas, triangulares y mixtas. Debe considerar los costos de desarrollos involucrados a objeto de encontrar la malla de extracción que signifique la menor inversión y cumpla con las exigencias técnicas.

Los pasos para diseñar una malla de extracción son:
1. Determinación del diámetro del elipsoide de extracción
2. Distribución geométrica de los elipsoides de extracción
3. Evaluación de las configuraciones geométricas
4. Análisis de las potenciales mallas de extracción
5. Evaluación de las distintas mallas de extracción
6. Selección del tipo de malla de extracción más conveniente

7 Operativización de la(s) malla(s) de extracción
8 Estudio de influencia de la tercera dimensión en la malla
9 Evaluación económica de la malla(s) de extracción seleccionada(s)

Diseño de Mallas de extracción Elipsoide de extracción:

Metodología para determinar el radio de elipsoide de extracción Gracias a los conceptos obtenidos de las teorías de Kvapil y Laubscher, se ha podido crear una metodología, que puede ser usada para determinar el radio del elipsoide de extracción de cualquier macizo, en que los sectores a analizar están emplazados en roca primaria.

Diámetro del elipsoide de extracción: Es la base para el diseño y dimensionamiento de la malla de extracción. Para su determinación se requiere la siguiente información básica:
– Caracterización geomecánica del macizo rocoso
– Granulometría esperada del material
– Ancho del punto de extracción

Abaco de Laubscher:

Aunque el ábaco de Laubscher, está orientado para el diseño de mallas pequeñas, igual se utilizará para determinar el máximo y mínimo espaciamiento entre puntos de extracción.

Curva de Laubscher La curva entrega la altura de interacción (Hz). El dato de la altura de interacción HZ que entrega Laubscher es equivalente a la altura de extracción propuesto por Kvapil en su curva.

Curva de Kvapil
En la curva de Kvapil, se relaciona la altura de extracción HT con el diámetro del elipsoide de extracción teórico (W’), y utilizando la fórmula planteada por Kvapil, se procede a determinar el diámetro real del elipsoide de extracción, que tenderá a ser un poco menor que el teórico.

Distribución geométrica de los elipsoide de extracción
Con el diámetro del elipsoide se selecciona la mejor configuración geométrica de elipsoides, que es el arreglo espacial en que se ubicarán los elipsoides en el diseño minero del Nivel de Producción y que definen la Malla de Extracción. A la distribución geométrica de elipsoides se le llamará configuración de elipsoides.
Posteriormente a la distribución geométrica de elipsoides obtenida, se le incorpora el trazado de las galerías de producción considerando los equipos a utilizar, permitiendo así obtener la malla de extracción más conveniente.

Distribución Geométrica de los Elipsoides de Extracción La configuración de los elipsoides debe cumplir con:
• Los elipsoides deben disponerse en filas y columnas en un arreglo regular , diseño estandarizado de parte o totalidad del nivel de que permita un producción decir , la distancia entre sus
• Los elipsoides deben ser equidistantes, es centros debe ser igual en cualquier dirección.

•La malla debe asegurar que los elipsoides de extracción se intercepten de una manera tal que minimicen las perdidas de mineral y evite el ingreso prematuro de dilución.
• La malla debe ser suficientemente amplia, de modo de maximizar el área de sustentación del nivel de producción.

Configuraciones geométricas básicas de elipsoides
Formas de disponer espacialmente los elipsoides de extracción, en planta.
• Cuadrada
• Triangular
• Mixta

Variantes de Configuración de Elipsoides Las variantes en la configuración pueden ser:
(a) Elipsoides separados: Separados a una distancia predefinida.
(b) Elipsoides Tangentes: Hacen contacto en la línea de perímetro.
(c) Elipsoides Traslapados: Superpuestos unos con otros.

Entonces, se pueden generar:
(1) Configuración Cuadrangular Tangente.
(2) Configuración Cuadrangular Tangente y Traslapada.
(3) Configuración Triangular Tangente.
(4) Configuración Triangular Tangente y Separada.
(5) Configuración Triangular Traslapada Parcial.
(6) Configuración Triangular Traslapada Total.
(7) Configuración Mixta Tangente.

Diseño de Mallas de extracción Distribución de los Elipsoide de extracción Parámetros

Criterios Geométricos de Comparación, Utilizando criterios geométricos, que se basan en el cálculo de índices geométricos, se comparan las distintas configuraciones. Los índices geométricos son:
• Densidad • Angulo entre ejes • Área de diseño • Sustentación • Anisotropía • Distorsión
Se elabora una matriz de comparación y se selecciona aquellas mallas de mayor puntaje.

Configuración Triangular Tangente: Esta configuración tiene un ángulo entre ejes de 60º, aquí los elipsoides están totalmente tangentes, la sustentación llega a un 90.7% valor muy aceptable,
comparada con la configuración cuadrangular tangente que es de un 78.5%.

Configuración Triangular Traslapada Total: Esta configuración tiene un ángulo entre ejes de 60°, los elipsoides se encuentran totalmente traslapados para eliminar el área intacta, de esta forma se logra una sustentación de 100% (interacción).

Configuración Mixta Tangente:
Esta configuración es regular, presenta un ángulo entre ejes de 60°, este ángulo es más importante que el ángulo de 90°, ya que operacionalmente en esta configuración el ángulo de intersección calle/zanja correspondería a 60°. El porcentaje de sustentación llega a un 86.2%.

Respecto de la evaluación geométrica, se puede concluir lo siguiente:
El porcentaje de área intacta entre elipsoides en la configuración Triangular Tangente es de 9.3%, en la configuración Mixta Tangente de 13.8% y en la configuración Triangular Traslapada Total de 0%. Considerando la teoría de Laubscher, los elipsoides interactúan con separaciones entre sus centros de hasta 1.5 veces su diámetro, por lo que cualquiera de estas configuraciones sería factible de aplicar .

Se recomienda considerar las configuraciones T riangular T angente, T riangular Traslapada Total y Mixta Tangente, para el diseño de las Mallas de Extracción.

Diseño de Panel Caving Diseño de Mallas de extracción Procedimiento:

Diseño de malla de extracción
Establecido el diseño geométrico de los elipsoides de extracción se determina el diseño de la malla de extracción asociada a cada una de las distribuciones de elipsoides. La malla de extracción en una vista en planta queda definida por las galerías de producción, las galerías de extracción (zanjas) y el ángulo entre ellas.

La malla debe ser adecuada para que los equipos a utilizar puedan operar eficientemente. Además de considerar la forma y disposición de los receptáculos (embudos o bateas) que reciben el material proveniente del nivel de hundimiento. Por otro lado también debe tomar en cuenta las características y dimensiones de los equipos a emplear para retirar el mineral de los puntos de extracción (LHD u otro)

Para determinar el diseño más adecuado para la Malla de Extracción, se utilizará el siguiente procedimiento:
• Detalle de las labores del método Panel Caving.
• Analizar las distintas Mallas de Extracción que existen, indicando su relación con las configuraciones de elipsoides,destacando sus características, ventajas y desventajas.

• Realizar un estudio comparativo de los tipos de Mallas de Extracción que se podrían aplicar en el método Panel Caving, específicamente en roca primaria.

Tipos de Malla de extracción, Se conocen tres tipos de Mallas de Extracción, las cuales son:
• Malla Cuadrada
• Malla Tipo Teniente
• Malla Tipo Henderson

Malla Cuadrada
Esta malla utiliza como base teórica de diseño una Configuración Cuadrangular de elipsoides de extracción, es utilizada en el método Block Caving (roca secundaria), no se conocen experiencias prácticas de esta malla en el método Panel Caving con traspaso vía LHD.

Malla Tipo Teniente
Esta malla utiliza como base teórica de diseño una Configuración Triangular de elipsoides de extracción, y es utilizada en el método Panel Caving. Esta malla ha dado muy buenos resultados operacionales, de ahí que su aplicación se extendiera a casi todos los sectores en la Mina El Teniente

Malla Tipo Henderson
También llamada “Espina de Pescado”, esta malla utiliza como base teórica de diseñouna Configuración Mixta de elipsoides de extracción, también es utilizada en el
método Panel Caving. Es una alternativa a la malla Tipo Teniente, existen algunos casos de aplicación de esta malla en la mina El Teniente (Ten-4 Regimiento).

No existen experiencias de aplicación de la malla cuadrada en Panel Caving, los únicos antecedentes que se conocen, son estudios de Ingeniería Conceptual. Mientras que en el método Block Caving, esta malla ha sido la base de diseño de este método.

Algunos aspectos o factores que son muy incidentes en las mallas de extracción, los cuales son:
• Aspectos Operacionales.
• Aspectos Geométricos.
• Aspectos Geomecánicos.

Aspectos operacionales
• Experiencia práctica de aplicación en Panel Caving
• Grado de mecanización del proceso de extracción de mineral: Es compatible con un sistema de extracción con equipos LHD.
• Direcciones de operación del equipo LHD: En algunos diseños los equipos deben cambiar de dirección para cargar en la zanja opuesta.

– Posibilidad de usar parte de la galería zanja opuesta: En algunos diseños esto sirve para las maniobras del equipo.
– Productividad de los equipos LHD: Mayores productividades cuando los diseños permiten minimizar el tiempo de maniobras. 
– Posibilidad de aplicar LHD eléctrico: Con la finalidad de usar energías más limpias.

Aspectos geométricos
• Angulo entre la galería calle producción/galería de extracción (zanja)
• Número de direcciones de galerías
• Geometrías de los pilares de sustentación
• Generación de puntas de diamante (ángulos agudos)

Aspectos geomecánicos
• Factor de seguridad FS (Pilar Calle/Zanja): cuociente entre la resistencia promedio y la solicitación promedio a la cual la labor está sometida.
• Probabilidad de falla PF (Pilar Calle/Zanja): mediante curvas de distribución sepuede representar el factor de seguridad asociado a una cierta probabilidad de ocurrencia.

•El Factor de Seguridad y Probabilidad de Falla de la malla Tipo Teniente es ligeramente superior a los de la malla Tipo Henderson. Dada la geometría de la malla cuadrada donde el pilar central tiene una sección rectangular, se esperaría un factor de seguridad mayor que en las mallas Tipo Teniente y Henderson.

Operativizacion de la Malla de Extracción
Una vez definido el diseño minero de la Malla de Extracción, la etapa siguiente es la operativización de la malla. La operativización consiste en el dimensionamiento de la malla preestablecida considerando las dimensiones de los equipos LHD (largo, ancho máximo y altura máxima).

El dimensionamiento de la malla de extracción consiste en la determinación de los  siguientes parámetros:
• Sección de galerías.
• Distancia entre calles de producción, medida perpendicular a la calle.
• Distancia entre galerías zanjas, medida paralela a la calle.