Métodos de Explotación

Definición

Es la estrategia global que permite la excavación y extracción de un cuerpo mineralizado del modo técnico y económico más eficiente.

• Define los principios generales según los que se ejecutan las operaciones unitarias.
• Define criterios con respecto al tratamiento de las cavidades que deja la extracción.

Clasificación

• Cielo abierto: Explotación realizada siempre expuesta a la superficie.
• Subterránea: Explotación desarrollada a través de labores subterráneas.

Métodos de Explotación de Superficie

Cielo abierto, rajo abierto o tajo abierto (llamado Open Pit en inglés): Es el método que más se ve en Chile, particularmente en la explotación de yacimientos de metales básicos y preciosos.

Cantera (llamado Quarry en inglés): Este nombre se da a la explotación de mineral que puede utilizarse directamente en aplicaciones industriales, como es el caso de la sílice, caliza y piedra de construcción.

Lavaderos o placeres: Corresponde a la explotación de depósitos de arena en antiguos lechos de ríos o playas, con el fin de recuperar oro, piedras preciosas u otros elementos químicos valiosos.

Otros:

• Disolución: Mediante la incorporación de un solvente y posterior extracción del soluto de la solución recuperada (extracción de azufre y sales).
• Minería costa afuera: Para la extracción de nódulos de manganeso presentes en el fondo del océano.

Minería a Cielo Abierto

Generalidades

Este método es aplicado a yacimientos de baja ley y superficiales.

• Ritmo de producción mayor a 20,000 tpd.
• Moderadamente selectivo, ya que posee la facilidad de vaciar el estéril en botaderos.
• Desafíos en el diseño:
  • Manejo de la razón estéril/mineral y su evolución en el tiempo.
  • Ubicación de las rampas de acceso y producción.
  • Diseño de las flotas de equipos.
  • Estabilidad de las paredes del rajo.

Ejemplos de Minas a Cielo Abierto

Mina Chuquicamata

• Mina de cobre y oro.
• Ubicada a 15 km al norte de Calama y a 245 km de Antofagasta, en la Región de Antofagasta, Chile.
• Considerada la más grande del mundo en su tipo y es la mayor en producción de cobre de Chile.

Mina de Cobre Kennecott

• Mina de cobre.
• Ubicada en Utah, Estados Unidos.
• Segunda mina de cielo abierto más profunda del mundo.

Mina Grasberg

• Es la mayor mina de oro y la tercera mina de cobre más grande del mundo.
• Se encuentra ubicada en la provincia de Papúa en Indonesia.

Mina Yanacocha

• Considerada la mayor mina aurífera de Sudamérica y la segunda más grande a nivel mundial.
• Ubicada en Cajamarca, Perú.

Consideraciones Importantes para la Minería a Cielo Abierto

Factores que tienden al desarrollo de minería de superficie:

• Aumento en producciones.
• Baja en ley.
• Aumento en productividad de mano de obra.

Mejor que minería subterránea en los siguientes aspectos:

• Recuperación.
• Control de leyes (selectividad).
• Flexibilidad de operación.
• Seguridad.
• Condiciones de trabajo.

El desempeño, desde un punto de vista económico, depende de:

• Elección de razón estéril/mineral.
• Tasas de producción.
• Equipos.

El pit final depende de la evaluación económica, considerando:

• Geometría de la mineralización.
• Distribución del mineral.
• Topografía.
• Ángulos de talud máximos.

Definiciones y Parámetros de la Minería a Cielo Abierto

Banco: “Tajada” que forma un nivel de operación. El mineral o estéril se saca en capas sucesivas, cada una de las cuales constituye un banco. Se pueden explotar varios bancos a la vez en distintos sectores y a distintas elevaciones en la mina.

• Altura de banco: Distancia vertical desde la parte más alta o cresta del banco a la base del banco o pata.
  • Depende de los equipos utilizados para explotar la mina y de la selectividad (perforadoras, palas).
  • También puede depender de regulaciones legales.
  • A menudo se utilizan bancos dobles o triples cuando se llega al diseño final del rajo. Si los bancos durante la explotación eran de 15 m, se puede llegar a tener “muros” de 45 m en el pit final.
  • Los bancos pueden ser pequeños (3-5 m) para minas que requieren una selectividad alta, hasta muy altos cuando se privilegia la explotación masiva (15 m).
• Bermas: Extensión horizontal dejada entre bancos.
  • Mejorar la estabilidad del talud.
  • Razones de seguridad: evitar o detener rodados.
  • Parámetros definidos desde el punto de vista geotécnico (intervalo de bermas, ángulo de berma, ancho de berma).
• Ángulo de talud final: Medido con respecto a la horizontal como el ángulo definido por una línea que va desde la cresta del banco más alto a la pata del banco más bajo del rajo.
• Rampa: Necesaria durante toda la vida de la mina para permitir el acceso y transporte del material extraído.
  • Varios sistemas (espiral, zigzag).
  • Parámetros dependen de la capacidad requerida y del tamaño de los equipos (ancho, pendiente).
• Sobrecarga: Estéril que debe ser removido antes de empezar a producir y que permite acceder al mineral más superficial de la mina.

En Chile, aproximadamente el 80% de la producción de cobre proviene de faenas a rajo abierto. A pesar de ello, aún existen cuerpos pequeños, irregulares y profundos que sólo pueden ser extraídos por métodos subterráneos. En otros casos, es necesario pasar a mina subterránea o abandonar los recursos cuando la cantidad de estéril que hay que remover para seguir extrayendo el mineral se torna prohibitiva desde un punto económico.

Minería Subterránea

Generalidades

• Utilizado para yacimientos de mediana y alta ley.
• Ritmos de producción 500-50,000 tpd.
• Más selectivo que el método de cielo abierto, excepto por los métodos por hundimiento.
• Problemas de diseño:
  • Geometría de la mina subterránea.
  • Estabilidad y soporte.
  • Ubicación de los accesos.
  • Logística para el transporte y movimiento de mineral subterráneo.

Componentes de una Mina Subterránea

Acceso horizontal (adit, Drift): Excavación horizontal de acceso a la mina.

Piques (shafts): Excavación vertical de acceso a la mina.

Chimenea (Ore passes): Excavaciones sub-verticales dedicadas al traspaso de mineral, personas y, en algunas ocasiones, utilizadas como cara libre.

Rampas (Declines or ramps): Son excavaciones horizontales orientadas en espiral con el propósito de conectar dos niveles o acceder a la mina.

Caserones (Stopes): Corresponden a unidades básicas de explotación de las cuales se extrae mineral. En algunos casos, estos caserones son rellenados con material estéril.

Ejemplos de Minas Subterráneas

Mina El Teniente

• Mina de cobre.
• Ubicada en Chile, en la comuna de Machalí, a 50 kilómetros al este de la ciudad de Rancagua y a 2,300 msnm.
• El Teniente se compone de más de 3,000 km de galerías subterráneas, por lo que se considera la mina subterránea de cobre más grande del mundo.

Mina Olympic Dam

• Mina de oro, plata, cobre y uranio.
• Ubicada al sur de Australia.
• Explotada por Sublevel Stoping.

Mina Northparkes

• Pórfido de cobre y oro.
• Ubicada en Australia.
• Explotada por Block Caving.

Consideraciones Importantes para la Minería Subterránea

Las excavaciones tienen distinta vida útil; es sólo un hoyo en la tierra. La infraestructura se encuentra en roca huésped; los desarrollos se realizan en roca huésped o roca mineralizada. La producción implica extraer roca mineralizada (pilares, contacto con roca huésped).

Los tipos se distinguen según el tratamiento que hagan de la cavidad que deja la extracción de mineral. Existen sólo 3 tipos de explotación:

• Soportados por pilares (recuperación minera reducida).
• Artificialmente soportados o relleno (alto costo).
• Sin soporte o hundimiento: natural e inducido (alta incertidumbre).

Sin embargo, en la práctica, la explotación requiere variar y combinar los métodos, dado que los depósitos raramente se ajustan exactamente a las características ideales de aplicación de alguno de los métodos.

Métodos de Explotación Subterránea

Métodos Soportados por Pilares

Dejan la cavidad que el mineral ocupaba vacía. El caserón es estable en forma natural o con escasos elementos de refuerzo.

Tipos:

• Room and Pillar
• Sublevel Stoping

Room and Pillar

• Cuerpos mineralizados mantiformes y de baja potencia.
• La calidad de la roca de caja y mineral deben ser competentes (2B).
• Se dejan pilares para mantener el techo y las paredes estables.
• Se deben diseñar los pilares y los caserones para maximizar la recuperación de mineral.
• Cuerpos mineralizados con potencias mayores a 10 m y menores a 30 m se explotan por sub-niveles desde el techo al piso.
• Baja dilución menor a 5%.
• Recuperación baja menor a 75%.
• Costo de producción 10-20 $/t.
• Cuerpos tabulares horizontales o sub-horizontales.

Post Room and Pillar Mining

• Variación del método de Room and Pillar.
• Cuerpos con potencias mayores a 30 m e inclinados (menor a 20 grados).
• Comienza en la parte inferior del cuerpo mineralizado y se extiende en la vertical por sub-niveles.
• Una vez realizada la perforación, tronadura, carguío y transporte del mineral, se procede a rellenar el caserón, típicamente con colas de relaves mezcladas con cemento.
• El relleno aumenta el confinamiento, permitiendo diseñar con un menor factor de seguridad y, por lo tanto, maximizando la recuperación.

Longhole and Sublevel Open Stoping

• El cuerpo mineralizado es dividido en diferentes caserones separados por losas y muros.
• La productividad del caserón es proporcional a su tamaño.
• La estabilidad y dilución de un caserón es inversamente proporcional a su tamaño.
• La inclinación del cuerpo mineralizado debe exceder el ángulo de reposo del mineral.
• Roca de caja y mineral competente (2B).
• Cuerpo mineralizado de paredes regulares.
• El método de longhole open stoping posee una mayor productividad, pudiendo lograrse subniveles de perforación en el intervalo 60-100 m con martillos ITH de 140-165 mm de diámetro.
• Longhole open stoping requiere una mayor regularidad que el sublevel stoping.
• Baja dilución, menor a 8%.
• Baja recuperación menor a 75%.
• Costo 12-25 $/t.
• En algunos casos, se deben rellenar los caserones luego de extraído el mineral.

Artificialmente Soportado con Relleno

Requieren elementos de soporte para mantenerse estables. Se rellenan con algún material exógeno.

Tipos:

• Cut and Fill Stoping
• Shrinkage Stoping
• VCR Stoping
• Bench and Fill Stoping

Shrinkage Stoping

• Vetas angostas (potencia menor a 10 m).
• La roca de caja es de baja competencia (4B) y la mineral de mediana a alta (3B).
• Se remueve solamente el esponjamiento (40% del volumen) de la roca tronada; el resto se mantiene almacenado para mantener las paredes estables y proveer de piso al sistema de perforación.
• Infraestructura de producción es requerida.
• Productividad menor a 4,500 tpd.
• Alta dilución 30%.
• Mediana recuperación 85%.
• Costoso y riesgoso.

Bench and Fill Stoping

• Alternativo a VCR.
• Utilizado en cuerpos de menor competencia, mayor continuidad en la corrida.

Métodos de Hundimiento

Las cavidades generadas por el mineral extraído son rellenas con el material superpuesto (mineral mientras dura la explotación, o estéril una vez finalizada). El hundimiento y consecuente relleno de las cavidades se produce simultáneamente a la extracción del mineral.

Tipos:

• Longwall Mining
• Sublevel Caving
• Block / Panel Caving

Sublevel Caving

• Se utiliza en cuerpos mineralizados con orientación vertical y alta potencia, mayor a 40 m.
• La roca de caja es de baja competencia y la roca mineral, competente a mediana.
• Se explota por subniveles donde se realizan en ciclo las operaciones unitarias de perforación, tronadura, carguío y transporte.
• Consiste en hundir la roca de caja y la pared colgante. De esta manera, el mineral queda en contacto con el estéril, facilitando el acceso de LHDs a través de las galerías de producción.
• Productividad 4,000 a 20,000 tpd.
• Costo 7-12 $/t.
• Dilución es alta, hasta un 15%.
• Recuperación 75%.

Block Caving

• Cuerpos masivos con una proyección en planta suficiente para inducir el hundimiento de la roca.
• La roca mineralizada a hundir debe ser medianamente competente (3A-4A).
• La roca estéril de techo debe ser hundible.
• La roca de caja puede ser competente, como en el caso de pipas diamantíferas.
• Se induce el hundimiento de la roca a través del corte basal (4-12 m). El hundimiento se propaga en la medida que la roca es extraída del hundimiento utilizando la infraestructura de producción.
• Productividad 12,000 a 48,000 tpd.
• Dilución 20%.
• Recuperación 75%.
• Costo 2.1-5 $/t.

Criterios de Selección del Método de Explotación

Características Espaciales

La elección entre rajo vs. subterránea afecta la tasa de producción, el método de manejo de material y el diseño de la mina en el depósito.

Características:

• Tamaño (alto, ancho o espesor).
• Forma (tabular, lenticular, masivo, irregular).
• Disposición (inclinado, manteo).
• Profundidad (media, extremos, razón de sobrecarga).

Condiciones Geológicas e Hidrológicas

Tanto de mineral como de roca de caja (o huésped). Afecta la decisión de usar métodos selectivos o no selectivos. Requerimiento de drenaje, bombeo, tanto en rajo como en subterránea. La mineralogía es importante para procesos (mineralogía y petrografía: óxidos vs. sulfuros, composición química, estructura del depósito: pliegues, fallas, discontinuidades, intrusiones, planos de debilidad: grietas, fracturas, clivaje, uniformidad, alteración, meteorización: zonas, límites, aguas subterráneas e hidrología: ocurrencia, flujo, nivel freático).

Consideraciones Geotécnicas

• Selección del método (soporte necesario).
• Hundibilidad.
• Propiedades elásticas.
• Comportamiento plástico o viscoelástico.
• Estado de los esfuerzos (originales, modificados por la excavación).
• Consolidación, compactación, competencia.
• Otras propiedades físicas (gravedad específica, poros, porosidad, permeabilidad).

Consideraciones Económicas

Determinan el éxito del proyecto. Afectan inversión, flujos de caja, periodo de retorno, beneficio (reservas: tonelaje y ley, tasa de producción, vida de la mina: desarrollo y explotación, productividad, costo de mina de métodos posibles de aplicar).

Factores Tecnológicos

Se busca la mejor combinación entre las condiciones naturales y el método (porcentaje de recuperación, dilución, flexibilidad a cambios en la interpretación o condiciones, selectividad, concentración o dispersión de frentes de trabajo, capital, mano de obra, mecanización).

Factores Medioambientales

No sólo físico, sino que también económico-político-social (control de excavaciones para mantener integridad de las mismas: seguridad, subsidencia y efectos en superficie, control atmosférico: ventilación, control de calidad de aire, calor, humedad, fuerza laboral: contratos, capacitación, salud y seguridad, calidad de vida, condiciones de comunidad).

Conclusiones

En consideración a estos factores, se debe tomar una decisión respecto a si explotar el cuerpo mineralizado mediante métodos de explotación de superficie o métodos de explotación subterráneos. Las características espaciales (geometría del cuerpo) y la competencia de la roca son esenciales, dado que pueden determinar la conveniencia de utilizar un método por sobre otros. Sin embargo, puede haber casos en los que el depósito puede explotarse mediante métodos de superficie o subterráneos. En estos casos, es necesario tomar la decisión en función del beneficio económico que se generará en cada caso.