Por: Emerson Quiche, consultor en Geomecánica y docente de la carrera técnica profesional de Operaciones Mineras y Janeth Ramos, Diego Pacheco y Tenshi Suehiro, estudiantes de Operaciones Mineras, Tecsup N° 1.

Resumen

En la actualidad hay más de 300 empresas pertenecientes a la pequeña y mediana minería, de las cuales muchas de ellas operan en base a una minimización de costos, y generalmente no buscan mejorar la eficiencia de sus procesos; es por ello que tomando en cuenta la corriente Mine to Mill, se propone integrar los procesos unitarios y utilizar los recursos que ya se disponen para con ello optimizar la granulometría (P80), mediante el diseño de la malla de perforación, puesto que es un proceso crítico para todo el ciclo de minado. 

Dicho diseño, tiene el objetivo de integrar parámetros no controlables propios del macizo rocoso, y controlables, que son los parámetros geométricos que conlleva la malla. Además, mediante el uso de software especializados, se evalúa el rendimiento de la voladura, para así generar una predicción del P80, el impacto del VPP, y su viabilidad según los requerimientos económicos.

Introducción

El presente trabajo es parte del proyecto integrador perteneciente al quinto ciclo de la carrera técnica profesional de Operaciones Mineras del Instituto Tecsup, sede Lima, que es el resultado de poner en práctica los conocimientos adquiridos, aplicados tanto en campo como en los laboratorios, con énfasis en los cursos de Geomecánica, Perforación, Voladura y Métodos de explotación superficial. Al finalizar el ciclo, el proyecto es expuesto escrito y oralmente ante los docentes y especialistas líderes del departamento de Minería, los cuales evalúan que el trabajo no solo tenga un objetivo conceptual, sino también, experimental y práctico.

Desarrollo del proyecto

La metodología seguida es de carácter cuantitativo, descriptivo y explicativo experimental. Se inició con la revisión de la información de los principales problemas que tienen las empresas de la pequeña y mediana minería, entre las cuales, la voladura secundaria es un factor común.

Esta voladura es una consecuencia que no solo conlleva demoras operativas, sino también gastos innecesarios, accidentes y riesgos tanto para el personal como para la maquinaría, si bien es un proceso que se ha vuelto común, este se puede evitar con un rendimiento más óptimo del área de Perforación y voladura, y dentro de esta, el diseño de la malla de perforación se ha vuelto crucial para obtener mejores resultados. Por eso, mediante este trabajo se da a conocer cómo es que integrando los procesos y utilizando los recursos que ya se disponen, se puede perfeccionar la granulometría y evitar una voladura secundaria.

Revisión de información

Estos procesos involucran al área de Geomecánica que implica un estudio riguroso de la geología y geomecánica del tajo abierto que, en este caso, fue de un macizo de calizas y tobas de Lunahuaná (Lima), y se extrajeron muestras de roca intacta, para la ejecución de ensayos, estáticos, servo controlados y dinámicos. Esta etapa de conocimiento del macizo nos permitirá mejorar el rendimiento y controlar los efectos de desplazamiento, la granulometría y vibraciones generadas por la voladura.

El objetivo es incorporar los datos del macizo, que vendrían a ser los parámetros no controlables, y la cantidad de variables que se puedan utilizar de los parámetros controlables, es decir, tratar de involucrar todos los posibles factores según su cantidad, tipos y la secuencia, esta integración puede lograrse mediante un modelo matemático inicial que sirva de base para construir un modelo propio de la mina, también nos apoyamos mediante correlaciones entre las variables, y el uso de funciones matemáticas que extrapolen la información.

Los resultados de la integración se obtienen por métodos predictivos de fragmentación como el modelo de Kuz-Ram, Kuznetsov, además de evaluar el factor de energía desplazado en el área y el PPV, este último parámetro incluye técnicas empíricas, teóricas y de inteligencia artificial, que pueden apreciarse en software como el JK Simblast.

Diversos investigadores como Kanchibotla (2003), Kojovic et al. (1995) y McCarter (1996), quienes estudiaron las ineficiencias del enfoque tradicional para la optimización de voladuras, comprobaron que enfocarse en esta, resulta de gran influencia en los costos de procesamiento (trituración y separación), rendimiento (ingresos y costos operativos) y ganancia. Es por ello, que los resultados deben estar alineados a los requerimientos económicos y en base a eso, se debe rediseñar las variables antes mencionadas para lograr el equilibrio esperado entre costo y tonelaje.

Principios de Mine to Mill

El concepto de Mine to Mill, nace como respuesta a la brecha entre las operaciones de mina y el procesamiento de los minerales, la cual es un problema arraigado durante muchos años, y ha sido estudiada por investigadores a nivel mundial, los que concluyen que la voladura es el primer peldaño que necesita operarse eficientemente para la optimización de las demás etapas y el desempeño de planta. 

Puesto que la perforación y voladura es un paso importante en este proceso. Los resultados tales como la fragmentación, la forma, el aflojamiento de la pila de escombros, la dilución, el daño y el ablandamiento de la roca, afectan la eficiencia de los procesos posteriores (Richard et al.1982, Roy & Singh, 1998; Konya & Walter, 1990; Oriard, 2005).

Importancia del diseño de malla

Existen diversos indicadores para medir la capacidad de fragmentación, los más comunes son la relación de rigidez (Tabla 1), y la relación de la impedancia entre la roca y el explosivo, las cuales están en función a la altura del banco, el burden, la velocidad de onda P, y a la velocidad de detonación.

Es viable buscar una optimización en base a la geometría y secuenciamiento de la malla de perforación, es por ello que el punto inicial para mejorar el diseño, es tomar en cuenta estos factores, iniciando por la variable geométrica más importante, el burden, la cual será calculada en base a la integración de los parámetros mencionados en el flujo de la Figura 1.

Parámetros no controlables

Como el principio de Mine to Mill va dirigido netamente a lograr metas de producción en las minas, se realizan estudios al campo para conocer los parámetros inmodificables con los que vamos a estar limitados.

La voladura es un proceso en el cual se producen ondas de choque a gran velocidad seguidas de expansión de gases, por lo que se debe tener en cuenta al momento de evaluar el macizo rocoso, ya que si esta presenta altos grados de fracturación, dará origen a la pérdida de potencia y, por consiguiente, no conseguir el objetivo principal, fragmentar lo máximo posible a la roca. Asimismo, se presentarán problemas como el conocido flyrock, por lo tanto, afectará la seguridad de la zona por los escombros generados por esta. La presencia de agua es a su vez es otro de los factores críticos e importantes a tomar en cuenta, ya que si se escoge un explosivo no resistente al agua la voladura se disipará.

López Jimeno en el capítulo 19 de su Manual de perforación y voladura de rocas (2003), explica la importancia de los parámetros no controlables en la perforación y voladura (ver Tabla 2).

Importancia de la evaluación geomecánica

Cuando se trata de un diseño de perforación y voladura, la geomecánica tiene un rol importante debido a que identificamos las propiedades de la roca, estos estudios no son solo útiles para el diseño de la malla de perforación, sino que aporta una mayor seguridad, optando por un mejor sostenimiento y estabilidad de distintas labores.

Los resultados que se obtengan en los distintos ensayos darán a conocer el modelo matemático a usar, sin embargo, los modelos establecidos no se deben utilizar como única ruta para la excelencia operativa, cada mina es responsable de realizar cambios en esta de acuerdo a sus condiciones establecidas y posibilidades económicas. Sin embargo, muchas de estas no implementan nuevos modelos debido a la falta de experiencia de los operarios, seguimiento de trabajo, amarres incorrectos, entre otros factores que influyen en una pésima operación.

Mapeo en campo

Una vez definida la importancia de la evaluación geomecánica se procede a realizar el mapeo en el campo de estudio, con el fin de identificar si se encuentra algún tipo de falla (circular, planar, vuelco o de cuña). Esto con el fin de tomar medidas preventivas al momento de realizar la voladura, como puede ser una línea de precorte o si los casos son muy extremos no realizar la voladura en esa zona, ya que puede afectar distintas áreas aledañas. Con el objeto de calcular geotécnicamente un macizo rocoso se emplean diferentes metodologías de clasificación existentes como el Slope Mass Rating (SMR), Mining Rock Mass Rating (MRMR), Índice de Calidad Tunera (Q), entre otros. Con el resultado calculado de la calidad tunera se puede calcular el RMR de la roca, siendo este un paso opcional.

Como se trabajó en un área superficial se usó la clasificación del RMR y el SMR por celdas, asimismo como muestra la Figura 3, mediante este proceso se encontró tres diferentes familias, estas con características definidas por su formación como, RQD, espaciamiento, condición de discontinuidades, presencia de agua y orientación de las discontinuidades.

Los resultados obtenidos mediante este proceso, se llevan anotados en una libreta para posteriormente hacer la ponderación de las características encontradas. La información del campo indica que se trata de una roca regular de tipo IIIA, con este dato es posible definir y realizar los cambios necesarios para poder reducir la fragmentación necesaria para la planta.

Ensayos de laboratorio

Concluido el mapeo geomecánico realizado se procede a extraer muestras para que sean preparadas de acuerdo a las normativas establecidas por la American Society for Testing and Materials (ASTM) e International Society for Rock Mechanics (ISRM), las cuales indican los parámetros que deben tener y los pasos para interpretar los resultados, respectivamente.

Para la realización de ensayos en los laboratorios se debe verificar que estos cuenten con las certificaciones necesarias, además que los equipos deben encontrarse en perfecto estado y correctamente calibrados para obtener datos más precisos y, por lo tanto, más confiables. Para el uso del software es necesario datos del mapeo geomecánico y valores de resistencia de la roca, por ello se realizan los siguientes ensayos: ensayo UCS, triaxial, tracción, constantes elásticas, corte directo y propagación de ondas.

Concluidos los ensayos, se procede a revisar si estos fueron realizados correctamente. Mediante la forma de rotura que presenta se da cuenta de ello, se muestra roturas realizadas correctamente en la Figura 9.

Se tuvo en consideración las microfracturas que se presentaban al interior de las probetas, estas afectan al registro de resistencia de la roca, ya que la tensión aplicada sobre las bases se desvía por el interior y esto hace que los datos no sean confiables, sin embargo, para estos casos se realizan los llamados “castigos”, para compensar el rango de error, este método se realiza por medio de la experiencia del operador.

Es importante mencionar que la validación de los ensayos se realiza con la guía del ISRM, se registra la muestra post ensayo, y se observa si la rotura fue por un control estructural, tal como muestra la Figura 10, ya que esto invalidará el ensayo ejecutado, puesto que se busca una rotura en su estructura interna, no en las discontinuidades presentes.

Con la premisa de mantener el cuidado al medio ambiente se realizan estudios de ondas para identificar la propagación de estas después del proceso de la voladura. El equipo Pundit Lab, es utilizado para determinar la propagación. Asimismo, este aparato nos permite identificar la homogeneidad de las muestras y las posibles fisuras internas de las probetas.

Es necesario accesorios especiales para medir las ondas P y V además del uso de gel para que los geófonos utilizados no se peguen a oquedades que presente la superficie, si no se llega a aplicar este gel las ondas se desviarán y no se leerá correctamente el tiempo y velocidad de onda.

Parámetros controlables

Los parámetros controlables en una voladura son aquellos elementos que pueden ser ajustados o modificados por el personal encargado de la operación para lograr los resultados deseados en términos de fragmentación, seguridad y eficiencia.

A la vez deben ir de la mano con un estricto control, supervisión y seguimiento en la ejecución, es decir el éxito de la malla de perforación estará en base al cumplimiento de los parámetros, el paralelismo de los taladros, inclinaciones, longitudes de carga, taco, amarres entre taladros, etc. Estos parámetros tienen un impacto significativo en el resultado de la voladura y en el comportamiento de la roca o el terreno después de la detonación.

Elección de los explosivos y accesorios

La elección del explosivo adecuado es importante para obtener los resultados más óptimos, respaldar la seguridad tanto del entorno como del personal y optimizar de manera general la eficiencia del proyecto, teniendo en cuenta la densidad del explosivo, velocidad y presión de detonación, potencia o factor rompedor, resistencia al agua, gases de explosión (toxicidad), estabilidad química y la propagación de detonación, asimismo considerando los parámetros geomecánicos del macizo rocoso.

En nuestro caso, realizando las pruebas usando el equipo no destructivo Pundit Lab obtuvimos la velocidad de onda P y considerando el mapeo geomecánico realizado, calculamos la relación de la impedancia entre el macizo rocoso y el explosivo. Los resultados indicaron que esta relación es inferior a 1, lo que demuestra que el explosivo no es apropiado para la roca en cuestión.

Modelos matemáticos como base

Para el diseño de la malla y obtener una buena fragmentación luego de la voladura se debe de tener en consideración el burden y el espaciamiento que son las distancias de manera horizontal y vertical entre los taladros de perforación. El cálculo del primero se puede realizar de dos maneras: por el método empírico o por medio de modelos matemáticos establecidos (Konya, Pearse, Langefors, Ash, entre otros).

Viendo que el explosivo no es apto según la relación de impedancia con el macizo rocoso, se debe de evaluar el burden o el espaciamiento para el diseño de malla de perforación mediante estos dos métodos, pero para lograr un mejor resultado y el más óptimo para desarrollar el proceso consideraremos el matemático, ya que el empírico solo tendría en cuenta la densidad de la roca y el matemático abarca mayores parámetros para obtener el más idóneo a utilizar.

Como se observa en la Figura 15, a continuación se lleva a cabo un proceso de selección en los procesos tanto del diseño como la ejecución de la malla de perforación, queriendo conseguir el diseño y secuencia de detonación más impecable posible y lograr de manera eficaz la fragmentación requerida por planta. En dicho proceso se consideran las evaluaciones geomecánicas para los cálculos del rediseño de la malla para tener un producto mejor que el anterior, asimismo, aplicar indicadores de perforación y voladura para verificar si estos resultados cumplen de manera segura para la realización del trabajo.

Basándonos en el modelo de Pearse, tendríamos en cuenta el diámetro del taladro, presión de detonación, resistencia dinámica de la roca a la tracción o tensión, así como el RQD - RMR y el JSF. Una vez obtenido el valor del burden, por fórmulas matemáticas, se logrará obtener el espaciamiento, sobre perforación, taco y el retardo entre los taladros.

En comparación entre ambos métodos para calcular el burden, tenemos ciertos puntos que determinan cuál es más conveniente, tales como:

ν Método empírico: se basa en la experiencia del operador, así como la intuición y el juicio, teniendo en cuenta la flexibilidad y limitaciones que surgen de ese método.

ν Modelo matemático: basado en cálculos y datos científicos establecidos siendo estos precisos y consistentes en donde el modelo a desarrollar pueda aplicarse en diversas situaciones siendo preciso de acuerdo a los datos o valores que se utilicen. 

Expresado en la Figura 16 y considerando los valores obtenidos en los cálculos referentes al burden, se muestra los valores de carga de fondo, intermedia y taco. Asimismo, que material lo está conformando, en este caso el orden sería: carga fondo (emulsión), carga intermedia (Anfo) y taco (roca).

Elección de la secuencia

Dependiendo de cómo se haya diseñado el secuenciamiento, la dirección en la que se dispersan los fragmentos puede variar, si se realiza un secuenciamiento adecuado puede alejar la fragmentación de áreas críticas presentes. Asimismo, puede producir fragmentos más uniformes o dispersos. Teniendo un secuenciamiento o detonación controlada puede lograr un efecto deseado, como una mayor área de daño o una penetración más profunda. 

Si los explosivos no detonan de manera sincronizada o apropiada, algunos de ellos pueden ser ineficientes en su capacidad para generar fragmentos útiles y no lograrían la granulometría eficaz requerida por planta. También es importante desde el punto de vista de la seguridad, un secuenciamiento mal planificado puede causar la detonación prematura o incontrolada de ciertos explosivos, lo que podría llevar a situaciones peligrosas o no deseadas.

Área crítica                               

Se refiere a una zona específica dentro del macizo rocoso o la masa de suelo donde la voladura puede tener un impacto significativo y potencialmente peligroso. Es el lugar donde la interacción entre el explosivo y la roca es más intensa y puede generar una mayor fragmentación, vibraciones, ondas de choque y proyección de material. 

Al delimitar y controlar adecuadamente el área crítica, se pueden minimizar los riesgos asociados con la voladura, como daños estructurales, accidentes o emisiones excesivas de partículas y gases peligrosos.

Si el área crítica es mayor puede tener los siguientes efectos no deseados y altamente peligrosos:

ν Genera una mayor fragmentación de la roca, más extensa y dificultosa en la manipulación y transporte del material obtenido.

ν Generación de vibraciones y ondas más intensas extendiéndose a distancias más largas y aumentando el riesgo a daños estructurales en comunidades cercanas.

ν Proyección del material a mayores distancias, generando los fly rocks siendo un peligro para el personal y equipos cercanos.

ν Generación mayor de polvo y gases afectando la calidad de aire de la zona y dañando perjudicialmente a la salud de las personas y medio ambiente.

ν Inestabilidad en el control de la voladura dificultando los resultados de la voladura aumentando eventos no previstos o inseguros.

ν Menor eficiencia o menor rendimiento en la voladura, al ser de mayor tamaño la eficiencia se reduce por la liberación de energía en áreas donde no es necesario.

Reduciendo el área crítica en el diseño de malla y teniendo como referencia el tipo de malla triangular, se generaría un mayor control sobre la voladura en dirección y resultado para evitar daños o efectos secundarios, menor riesgo en daños estructurales por la vibración, menor proyección o limitado de material en menor distancia dentro del área establecida, control de polvo y mayor eficiencia en el resultado, así como el menor consumo de explosivo por delimitación del área crítica, evitando también el uso innecesario de explosivos en zonas no requeridas, menor tiempo de limpieza por material disperso, menor tiempo en preparación de la siguiente zona de trabajo, por último, mayor seguridad para el personal reduciendo riesgos y generando un entorno de trabajo más seguro.

Uso de software especializados                        

En la actualidad, la tecnología ha sido de gran ayuda para ciertos procesos en diseño y análisis de datos, sin embargo, en la minería ha sido de gran ayuda para la optimización o mejora en diversos procesos del ciclo de minado, en este caso como la perforación y la voladura.

Uno de los software utilizados en la industria minera para la simulación y optimización de los procesos de perforación y voladura es el Jk Simblast, tanto en la versión 2D como 3D, dicho programa es una herramienta poderosa y valiosa, ya que según las funciones que presenta logramos desarrollar o analizar los cambios en los parámetros o factores de carga y obtener voladuras más seguras, eficientes y controladas, teniendo un menor impacto ambientalmente y de igual manera alcanzar mayores beneficios económicos según la fragmentación del macizo rocoso.

Uno de los factores o parámetros que se requiere para el software es el índice de volabilidad de Lilly, este recopila o maneja valores o datos como el tamaño de bloque in situ, el peso específico, módulo de Young, la resistencia compresiva simple de la roca o el UCS, el Dip y el Dip Direction de la cara libre donde se realizará la voladura. 

Asimismo, de acuerdo al mapeo geomecánico realizado en campo se debe de considerar los espaciamientos, la persistencia, Dip y Dip Direction de las juntas más representativas de la sección estudiada del macizo rocoso. Una vez agregados estos datos en los menús requeridos del Jk Simblast, automáticamente nos arroja este índice de volabilidad y el factor de roca, en este caso es el factor de la caliza.

Dado estos valores establecidos del índice de volabilidad, este dato se aplicará en el modelo predictivo de fragmentación de Kuz - Ram (Kuznetsov & Rosin Rammler). Claude Cunningham desarrolló en 1983 este enfoque tomando como referencia el modelo de Kuznetsov para calcular el tamaño promedio de fragmentación, además de utilizar la función de distribución granulométrica de Rosin Rammler. Gracias a este modelo predictivo, se podrá tomar decisiones anticipadas en la selección del diseño de malla más adecuado que cumpla con los requisitos que se necesitan para lograr las metas establecidas por la mina.

Dependiendo como se desea la granulometría en planta, con dicho software se pueden realizar pruebas o simulaciones aplicando cada parámetro requerido o llegar a realizar cambios en alguno de ellos para obtener una granulometría óptima y obtener beneficios tanto económicamente como en la seguridad del personal en cuanto se generen las vibraciones por la voladura u ocurran los fly rocks debido a una errónea carga o que esté fuera de lo establecido; todo esto mostrándose en dos ventanas emergentes del programa, tales son la gráfica del P80 generado por la prueba realizada previamente como la gráfica de velocidad pico partícula que muestra las vibraciones ocasionadas por la voladura.

Optimización del P80

La optimización se ve reflejada en los resultados post voladura, al realizar los cambios o el rediseño que uno vea más conveniente, se realizan estudios previos y coordinando con los directivos se analiza la situación económica de la mina y se ve la rentabilidad del cambio, ya sea por parte del proceso de perforación y voladura según las simulaciones además del diseño de malla, como parte del proceso de la planta concentradora viendo el rendimiento de los equipos. Además, los esfuerzos de mejora deben estar equilibrados a tal punto que el costo total de la mina sea el mínimo, así como se observa en la Figura 23.

Conclusiones

1. El estudio realizado tomó la situación actual de una empresa que utilizaba métodos empíricos para su diseño de la malla de perforación, además de una gran deficiencia en la ejecución y seguimiento de los taladros de producción, lo que ocasionaba una granulometría desproporcionada de 13 pulgadas en promedio, debido a que no poseía recursos para adquirir un explosivo diferente u otro diámetro de broca, u otro sistema de detonación, se decidió enfocar la mejora en la distribución de los taladros, la longitud de carga, la secuencia de detonación, y el uso de un modelo matemático que integre el mayor número posible de las propiedades del macizo rocoso. 

Todo este proceso realizado tanto en el campo, laboratorios y el uso de software dieron por conclusión que cambiando el burden y los demás parámetros geométricos se pueden optimizar el P80, ya que según la distribución de Kuz-Ram el resultado del P80 a raíz del cambio, fue de seis pulgadas, es decir, se redujo a la mitad la granulometría post voladura.

2. Esta modificación llevo a un aumento de los taladros de perforación, al incrementarse los metros perforados, se incrementa también el consumo del explosivo, el acero y accesorios, sin embargo, como se mencionó previamente, este aumento en los costos de perforación debe llegar a un equilibrio con los costos del carguío y acarreo, los cuales representan un 60 a 70% del costo de mina total, es así que según la evaluación económica, el aumento de los costos de perforación significó una variación del 16%, y el costo de carguío y acarreo tuvo una variación de -40%, es decir, se genera un ahorro en los costos unitarios, debido al factor de eficiencia que tendrán los equipos.  

3. La distribución de tamaño de la roca volada define el grado de esponjamiento del material influyendo en la eficiencia de operación de los equipos de carga y transporte. Es así que los costos de carguío y transporte están directamente relacionados con la fragmentación del material y la forma de la pila después de la voladura haciendo que suba o baje el desempeño de los equipos.

Bibliografía

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