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IMPLEMENTACIÓN DE SISTEMAS DE INICIACIÓN ELECTRÓNICA PARA VOLADURAS EN LA GENERACIÓN DE CHIMENEAS ASCENDENTES DE GRAN LONGITUD

Por: Walter Ticona Ayala y Cristhian Guillen Cáceres, Blasting Engineer en Exsa; Gino Mayta Córdova, jefe Perforación y Voladura, Nexa Resources Perú, y Ned Vásquez Sánchez, Lead Technical Services en Exsa.


Resumen

La construcción de chimeneas ascendente es la fase más importante para una apertura eficiente en la explotación del método: Sub Level Stoping (SLS), de la cual depende el éxito y el resultado de la voladura. Siendo la eficiencia de este tipo de voladuras la operación unitaria de vital importancia para cumplir con los retos para los planes de minado propuestos.

El 90% de la producción de mineral en Cerro Lindo se hace por la explotación de los cuerpos mineralizados Ore Body (OB), y la mayor parte de la producción se ha realizado en banqueos negativos, en donde las caras libres se han venido generando mediante la utilización en el método Raise Boring (RB) descendente; sin embargo, durante el periodo 2021 - 2022, la explotación SLS con perforación de taladros ascendentes se incrementó un aproximado de 45%, lo cual obedece al aumento de la explotación del minado de tajeos secundarios y terciarios.

En esta transición, el método de construcción Raise Boring, presenta dificultades para el acceso debido a limitaciones en preparación y rehabilitación de labores, por ende, se ha optado por iniciar la cara libre (Slot), mediante la ejecución de chimeneas ascendentes con longitudes de hasta 25 m.

En ese contexto, para la implementación se ha considerado lo siguiente: i) para la perforación, se ha utilizado el equipo ITH con martillo de fondo; ii) para el arranque, se usa el diseño de corte hexagonal; iii) para el esquema de carguío, se utiliza booster de 1 lb como cebo y anfo como columna de carga, y iv) para el sistema de iniciación se usa detonadores electrónicos, donde la temporización considera cuatro fases que se sincronizan en paquetes de manera independiente. Asimismo, esta implementación fue soportado por la utilización de herramientas y actividades de control, simulación y evaluación de disparos tales como: medición, procesamiento e interpretación de la desviación de taladros in situ, registro y análisis del nivel de vibraciones generado, y la simulación de los diseños de perforación y secuencias de detonación electrónica, con el fin de conciliar los resultados obtenidos en campo y optimizar el diseño propuesto.

Los resultados obtenidos durante la implementación del sistema de iniciación electrónica para generación de chimeneas ascendentes de gran longitud, fueron satisfactorios lográndose eficiencias de avance superiores a 97% y la apertura (sección) planeada, garantizado la performance de las voladuras ejecutadas.

El ahorro generado de la ejecución de chimeneas ascendentes de gran longitud, en comparación al método RB es de 8.3 kUSD/tajo minado que representa una reducción del 30% en el presupuesto por cada chimenea ejecutada y además se han estimado ahorros por concepto de preparación y desarrollo por un valor de 10 kUSD/tajo minado.

Introducción

El sistema de iniciación electrónica en los últimos años ha innovado y revolucionado la industria minera subterránea, mejorando la seguridad y la productividad del proceso de minado en los diferentes métodos subterráneos. Cerro Lindo es la mina subterránea pionera en el uso de esta tecnología (actualmente en régimen aplicado en voladuras de producción SLS), para la generación de chimeneas Slot ascendente. De esta manera se ha generado valor al reducir el costo operativo, en comparación con el método Raise Boring que genera costos altos para la construcción de chimeneas.

Descripción

Ámbito geográfico

El yacimiento de Cerro Lindo es una de las operaciones mineras del grupo Nexa Resources y, actualmente, la mina subterránea de mayor productividad a nivel nacional.

La unidad minera se ubica a 174.5 km al sureste de Lima, en la región Ica, provincia de Chincha, distrito de Chavín; se encuentra a una altitud 1,820 msnm. Se accede por la Panamericana Sur a 200 Km de Lima hasta la quebrada Jahuay y luego 60 Km por una carretera afirmada hasta llegar al campamento en un recorrido de dos horas. La zona presenta un clima cálido de escasas precipitaciones pluviales y una vegetación incipiente.

Cerro Lindo tiene las siguientes coordenadas geográficas:

ν Latitud: 13° 0454” S

ν Longitud: 75° 5921” W

ν Altitud: 1,820 msnm

Geología

El yacimiento de Cerro Lindo es un depósito de sulfuros masivos de naturaleza volcánica (BMS), perteneciente al Grupo Casma de edad Cretácico. Estas rocas se acumularon dentro de una cuenca durante el proceso de subducción, que finalmente fue instruida por el Batolito de la Costa.

El yacimiento geométricamente está orientado al NW, buzando al SW con ángulo de buzamiento promedio de 65°. El depósito consiste de cuerpos lenticulares y apelados de sulfuro masivos incluyendo pirita, esfalerita, calcopirita y menor cantidad de galena. La secuencia se inclina a 65° al sur oeste y tiene hasta 200 metros de espesor.

Las reservas del yacimiento Cerro Lindo están emplazadas dentro de cuerpos mineralizados (Ore Body) a la fecha se viene explotando las reservas del OB-1, OB-2, OB-5 y OB-6, OB-6A, OB5-B Y OB-7. Así también se tiene identificadas las reservas en los OB-9 y OB-13.

Geomecánica

Los aspectos litológicos que se han determinado como parte de nuestra configuración para efectos de minado está definido principalmente por tres tipos de rocas: los sulfuros (donde está el mineral), los volcánicos y los diques. Los volcánicos aparecen alrededor de los sulfuros formando la roca encajonante, mientras que los diques cortan transversalmente a los sulfuros y volcánicos. Dentro de la zona mineralizada aparecen enclaves de volcánicos que salen junto al mineral durante la explotación del yacimiento.

Para clasificar el macizo rocoso, el área de Geomecánica de Cerro Lindo utiliza el criterio de clasificación geomecánica de Bieniawski Modificado (RMR – Rock Mass Rating, 1989) que se muestran en la Tabla 1.

Método de explotación

La operación mina en Cerro Lindo se diferencia de otras unidades subterráneas por el tonelaje de mineral que se extrae diariamente llegando a 20,000 TM/día, de los cuales se obtiene un total 360 ton métricas de concentrado aproximadamente. Siendo una unidad altamente mecanizada con dimensiones del laboreo de 5m x 5m, acarreando el mineral de interior mina a superficie, empleando volquetes de 50 ton y fajas transportadoras, que acarrean el mineral roto desde el Nv. 1820 en interior mina hacia la planta concentradora. Otra característica relevante, es que para sus procesos tanto de operaciones mina y planta, utiliza agua de mar tratada en su planta desalinizadora que se encuentra ubicado a 60 km de la unidad minera.

El método de minado en Cerro Lindo es el Sub Level Stoping aplicando la P&V con taladros largos en tajeos de 30 m (alto) x 20 m (ancho) y 40 m (largo), dimensionamiento que obedece al estudio geomecánico realizado, tomando en consideración el factor de seguridad requerido y al cálculo del radio hidráulico adecuado que garantice la estabilidad del tajo durante su explotación, en el tiempo que la mina lleva en operación se han efectuado ajustes haciendo que las dimensiones de ancho y largo de los tajos varíen.

Para la secuencia de minado, se inicia explotando los blocks primarios para luego ser llenados con relleno en pasta, una vez que dicho material logra su resistencia máxima, se procede a minar el nivel superior primario, cuando este es rellenado y ha logrado la resistencia adecuada, se inicia con el minado de los blocks secundarios inferiores (ver Figura 4 para mayor detalle).

Para lograr que estos pilares se mantengan estables se debe realizar un minucioso diseño y ejecución de la perforación y voladura, ya que patrones de vibración demasiado altos pueden colapsarlos, dado que están constituidos de relleno en pasta y podrían generar: la inestabilidad del tajeo, baja recuperación del mineral y sobre-dilución del mineral. Posteriormente, estos blocks son rellenados concluyendo de esta forma con la explotación del nivel inferior. Todo este proceso se realiza en retirada vertical ascendente, dejando pilares centrales que se minan al final de la explotación del nivel. Una vez que se ha concluido con el minado de los blocks primarios y secundarios previamente rellenados, se procede a subir al siguiente nivel para continuar la explotación.

El diseño básico para la explotación de los tajos comprende de: una galería central en cada nivel desde donde se perforarán las mallas radiales y otra transversal llamada “Slot”, que servirá como cara libre en la explotación, ver Figura 5.

El esquema del sistema de minado de la unidad minera Cerro Lindo es de forma piramidal, con bloques de 30m x 20m x 40m, Elaborada por el área de Planeamiento para la explotación de sus recursos con una proyección hasta el 2023.

Perforación

La perforación se realizaba en los bancos de 30 m de alto por 20 a 25 m de ancho, donde el 90% se efectuaba de forma descendente; considerando diseños en abanicos con diámetro de perforación de 102 mm (4 pulgadas) y longitudes de taladro que varían desde 3 m hasta 36 m según el proyecto.

Los equipos empleados para la perforación descendente son: el M4C – ITH y el DL – 421.

Sin embargo, durante el periodo 2021-22, la explotación SLS con perforación de taladros ascendentes se ha incrementado, siendo la proporción actual: 55% para la perforación con taladros descendentes y 45% para la perforación con taladros ascendentes. La razón principal obedece al minado de tajos secundarios y terciarios.

Los diseños usados para las perforaciones ascendentes son abanicos con diámetros de taladros que varían entre 76 mm y 89 mm; la longitud de taladro también varía desde 3 m hasta 30 m, según diseño.

Voladura

Actualmente, la mina Cerro Lindo utiliza en sus voladuras booster de 1 lb como cebo y anfo como columna de carga. La sección estándar de labor en tajeos de producción es 5 m x 4.5 m. La perforación es radial en mallas y paralelos en Slot, con longitudes de taladro variable, llegando hasta los 38 m de acuerdo con el diseño empleado según el tipo de tajo minado (primario, secundario o terciario).

Además, la voladura en Cerro Lindo para bancos descendentes y ascendentes emplea la iniciación con detonadores electrónicos. Los componentes principales son:

Detonador electrónico

Son completamente programables. Un detonador tiene su propio almacenamiento de energía y un circuito de temporización, por lo tanto, es independiente después de recibir la señal de disparo, porque cada detonador posee un número de identificación único (ID deto) grabado en el chip durante la fabricación. Ese número es la base de la comunicación entre los detonadores y el equipo de control.

Logger

Establece el tiempo de retardo de un detonador y llevar a cabo las funciones de prueba, cuando se conecta un detonador al Logger, este lee y almacena el número de identificación del detonador (ID deto), luego el usuario establece el tiempo de retardo necesario.

El Logger lleva a cabo funciones de prueba en los detonadores y en la red de detonadores. Asimismo, mide la fuga de corriente, si esta es demasiado alta, el Logger avisa este error y por motivos de seguridad, el Logger NO puede iniciar el detonador.

Blaster

Programa los detonadores e inicia la voladura. El Blaster utiliza el Logger para comunicarse con los detonadores, por ello el Blaster avisa sobre cualquier error del detonador o del sistema.

El Blaster brinda el voltaje de disparo que se transmite a través del Logger hasta los detonadores. Asimismo, después de cada voladura, genera reportes sobre los Loggers y los detonadores.

Voladura de bancos descendentes

En bancos descendentes, la generación de la cara libre se realiza mediante la chimenea Slot artificial con el método Raise Boring.

La voladura de bancos descendentes adopta las siguientes secuencias.

1°. Ampliación de chimenea Slot – Raise Boring. 

2°. Voladura de Slot pasante.

3°. Voladura de mallas de producción.

Los diseños empleados son:

ν Burden x espaciamiento: 3.5 x 3.5 m – mallas.

ν Burden x espaciamiento: 2.0 x 1.5 m – Slotslot.

ν Burden x espaciamiento: 1.5 x 1.5 m – ampliación.

ν Diámetro taladro producción: 104 mm (4”).

Voladura de bancos ascendentes

En bancos ascendentes, la generación de la cara libre se realiza mediante la generación de chimeneas Slot, que son perforadas con equipo DL-421.

La voladura de bancos ascendentes adopta la siguiente secuencia:

1°. Generación de chimenea Slot ascendente.

2°. Ampliación de chimenea Slot ascendente.

3°. Voladura de Slot pasante ascendente.

4°. Voladura de mallas de producción ascendente.

Los diseños empleados son:

ν Burden x Espaciamiento: 2.8 x 2.8 m – mallas.

ν Burden x Espaciamiento: 1.5 x 1.5 m – Slot.

ν Burden x Espaciamiento: 1.0 x 1.5 m – ampliación.

ν Diámetro taladro producción: 89 mm (3 ½”).

Realidad problemática

El 90% de la producción se ha obtenido de los cuerpos mineralizados (OB) y la mayor parte de la producción se ha realizado en banqueos negativos, en donde la cara libre se ha generado utilizando el método Raise Boring. Sin embargo, desde el periodo 2021-22, la explotación SLS con perforación de taladros ascendentes se ha incrementado aproximadamente en un 45%. La razón principal obedece al minado de tajos secundarios y terciarios.

En esta transición el método de construcción Raise Boring, presenta dificultades para el acceso debido a limitaciones en preparación y rehabilitación de labores.

Soluciones planteadas

Como parte de la política de innovación de Nexa Resources, en los procesos productivos de primer orden basados en el método de explotación y ritmo de extracción de la mina, se necesita de una alta eficiencia en la ejecución de las chimeneas Slot, para banqueos ascendentes.

De acuerdo con las condiciones enunciadas en este trabajo, se optó por aperturar la cara libre (slot), mediante la construcción de chimeneas ascendentes con proyectos de hasta 25 m para la explotación en bancos ascendentes. El logro de este proyecto está condicionado a la implementación de sistemas de iniciación electrónica, cuyo costo total se ve reflejado en la reducción del Opex del área de Perforación y voladura para la generación de chimeneas Slot.

Diseños de chimeneas Slot ascendente

Se analizó muchas alternativas de diseños de chimeneas Slot, sin embargo, para las exigentes condiciones en Cerro Lindo, el mejor diseño validado en el campo es el presentado en la Figura 11.

El diseño empleado para el arranque es el corte quemado hexagonal, compuesto por seis taladros de alivio y un taladro piloto central, el cual contempla un total de 17 taladros cargados distribuidos en tres partes:

ν Arranque (5).

ν Ayuda de arranque (4).

ν Cuadradores (8).

El sustento del diseño, radica en la apertura de una cavidad inicial denominada: “arranque”, que es la parte más importante de la operación, pues los taladros restantes no podrán romper eficientemente, a menos, que el arranque haya sido desplazado totalmente fuera del corte.

El equipo destinado para efectuar la perforación es el DL-421 (con martillo de fondo), utilizando un diámetro de 89 mm (3.5 inches). Para el esquema de carguío, se utiliza booster de 1 lb como cebo y anfo como columna de carga. Además, se usó el sistema de iniciación electrónica contemplando cuatro etapas en la secuencia de retardos que se sincronizan de manera independiente.

Se utilizaron herramientas de control, simulación y evaluación de disparos tales como: medición de la desviación de taladros in situ, medición de las vibraciones en campo lejano, simulación de los diseños de perforación y secuencias de detonación, con el fin de conciliar los resultados obtenidos en campo y optimizar el diseño propuesto.

Análisis de desviación de taladros

La desviación de taladros tiene fuertes consecuencias en la explotación con método SLS (granulometría no uniforme y de mayor tamaño en la carga rota), que afectan directamente a los procesos en mina y planta. Para determinar la desviación incurrida por la perforación de los taladros largos, perforados en labores de la unidad Cerro Lindo, se utiliza el equipo denominado: PeeWee, el cual está compuesto por un sistema de comunicación inalámbrica que permite medir la orientación de los taladros perforados mediante el levantamiento de cotas relativas (x, y, z) a largo de toda la longitud de los mismos.

Para la ejecución de chimeneas ascendentes, se ha realizado el control de la calidad, antes, durante y después de completarse la perforación de los taladros largos, cuantificando el grado de la desviación incurrida, el cual tiene un impacto decisivo para el éxito o fracaso de las voladuras en chimeneas ejecutadas por el área técnica. Por consiguiente, los valores de desviación de taladros no deben superar el límite máximo permitido (≤ 3%).

Diseño de carga e implementación de sistemas de iniciación electrónica

Considerando que la desviación resultante promedio es 6.2% en los taladros que conforman la chimenea Slot ascendente, se efectuó cortes horizontales al diseño real levantado a diferentes profundidades, determinándose la segmentación de la longitud total de la chimenea en cuatro tramos o fases, los cuales serán sincronizados de manera independiente aplicándose la iniciación electrónica para cada uno de estas.

Sincronización de tiempos por fase

La implementación considera un diseño de perforación que cumple con el objetivo de obtener un avance ascendente efectivo de 25 m (82 ft) de altura, el diámetro de perforación en taladros con carga es 89 mm (3.5 in) y el diámetro de perforación para taladros de alivio es 152 mm (6.0 in).

Las aplicaciones de elevación vertical no siempre alcanzan la altura de diseño, porque la voladura tradicional condiciona que estas se ejecuten en un solo evento, sin considerar que el flujo dinámico de material tenga suficiente espacio y tiempo suficiente para el desplazamiento óptimo de la roca fragmentada.

Por ende, se realizaron las simulaciones y análisis técnicos relacionados con factores críticos de diseño que incluyen:

ν Diámetro de taladro de producción relacionado al factor de carga lineal (kg/m).

ν Porcentaje real de desviación de taladros de producción y/o alivio.

ν Secuencia de salida, considerando la ubicación de los taladros a la cara libre.

Obteniendo para las cuatro fases las siguientes sincronizaciones:

Primera fase – 7 metros (ver Figura 17 y Tabla 2).

Segunda fase – 13 metros (ver Figura 18 y Tabla 3).

Tercera fase – 19 metros (ver Figura 19 y Tabla 4).

Cuarta fase – 25 metros (ver Figura 20 y Tabla 5).

Resultados

El resultado obtenido para la apertura de las chimeneas en ascendente fue adecuado considerando las cuatro fases del diseño, de 25 m se obtuvo una eficiencia de 97% (24.2 m).

En términos de confiabilidad de detonación, se obtuvo un éxito del 100% con un total de 68 detonadores electrónicos. Ninguno reportó indicios de fuga o error.

Conclusiones

El equipo OBE Orica y Cerro Lindo, ha logrado estandarizar y establecer parámetros de eficiencias de voladura superiores al 95% para chimeneas ascendentes de gran longitud (hasta 25 metros), para lo cual es indispensable cumplir con los procedimientos y actividades descritas en el presente trabajo técnico:

1. La implementación y uso de los detonadores electrónicos en la ejecución de chimeneas ascendentes de gran longitud (hasta 25 metros) es apropiado para garantizar el buen performance de las voladuras.

2. La aplicación y el uso de la tecnología de los detonadores electrónicos conlleva a mejorar la seguridad y la productividad del proceso de voladura para los diferentes métodos de minado subterráneo.

3. Cumplir a cabalidad con el levantamiento de taladros en chimeneas ascendentes para determinar el % de desviación y el estado real de los taladros.

4. En base al levantamiento de taladros realizado se determinará el número de fases de voladura para las chimeneas en ejecución, considerando el secuenciamiento y retardos apropiados, lo cual será asignado por el equipo OBE del sitio.

Con este trabajo de implementación de sistemas de iniciación electrónica para voladuras en la generación de chimeneas ascendentes de gran longitud, esperamos que los profesionales del sector minero analicen e investiguen la aplicación de la iniciación electrónica en la unidad minera de su procedencia por ser de menor costo operativo y mayor seguridad en la voladura de chimeneas ascendentes.

Considerando la volatilidad de los precios de los metales en el mercado minero, esta propuesta para la explotación con el método Sub Level Stoping juega un papel importante, además de ser parte de la realidad productiva de Cerro Lindo.

Bibliografía

Exsa. 2002. Manual Práctico de Voladura. Departamento Técnico, Lima.

López Jimeno E. 2003. Manual de Perforación y Voladura de Rocas. Instituto Tecnológico Geo-Minero de España.

OBE Orica – Unidad Cerro Lindo. 2021. Informes Internos Varios. 

Persson, PA, Holmberg, R & Lee, J. 1994, "Ingeniería de explosivos y voladura de rocas", CRC Press Inc., Florida.

R. Scherpenisse Carlos & Guillermo Silva & Carlos Troncoso. 2017. Selección de tiempos y retardos entre pozos. Geoblasto.

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