Por: Leopoldo Muñoz, Washington Vilas y Victor Morais, Orica Brasil, y Jair Alarcón, Orica América Latina.

Resumen

Hoy en día las operaciones mineras cercanas a las comunidades enfrentan desafíos cada vez mayores, especialmente en sus operaciones de perforación y voladura. La adecuada gestión de los impactos ambientales es importante para garantizar su licencia para operar y dar sustentabilidad al negocio minero en el largo plazo.

El objetivo de este trabajo es presentar diferentes técnicas, tecnologías, software de simulación y herramientas de control / monitoreo que cuando son implementados adecuadamente, permiten minimizar los impactos generados por las voladuras en comunidades próximas, para lo cual se presentará un estudio en una mina de cielo abierto en Brasil.

Un modelo de gestión adecuado, combinado con buenas prácticas operacionales y el uso de nuevas tecnologías, habilitan tener una operación segura sin incidentes con las comunidades. Construyendo de esta forma la confianza con los vecinos, manteniendo la licencia para operar y ayudando a la minería a movilizar recursos vitales fundamentales para el progreso de manera sustentable.

Introducción

Cada día las operaciones mineras y comunidades están más cerca, los impactos que pueden generar estas minas se están convirtiendo en un desafío creciente, en particular en el caso de las voladuras.

Las voladuras son eventos que generan impactos como vibraciones, ruido (airblast), proyecciones de rocas (flyrocks), eyección de polvo y generación de humos, cuando hay una detonación deficiente del explosivo. Si cualquiera de estas variables supera las regulaciones establecidas, se pueden generar sanciones e incluso a perder la licencia de operar.

Parte de la energía de la voladura se transmite a través del macizo rocoso como “ondas sísmicas”, que viajan todas direcciones, generando vibraciones, las que dependen del diseño de perforación y voladura (diámetro, carga por retardo, propiedades del explosivo como energía, velocidad de detonación VoD y densidad), de la distancia donde se mida, el medio donde se transmiten (tipo de roca, discontinuidades y geología local) y como es liberada la energía (tiempos entre barrenos y filas). El nivel de percepción humana puede ser tan bajo como 0.2 mm/s, si detecta a los 2 a 5 mm/s y 10mm/s puede ser molesto (Orica, SEB Course 2022).

Los gases de la voladura liberados a la atmósfera generan ondas de sobrepresión o airblast, que viajan en todas direcciones, disminuyendo al alejarse. Las principales causas de estos son el bajo confinamiento de las cargas, barrenos sobre cargados, uso de cordón detonante y material de taco poco eficiente. Airblast mayores a 150 dB, pueden provocar daños estructuras. Normalmente 115 dB es un nivel aceptable para operaciones mineras continuas (Orica, SEB Course 2022).

Los flyrocks son quizás las consecuencias más críticas y no negociables de una mala voladura, generando impactos potencialmente devastadores. Durante la detonación de un explosivo en la roca, este intentará encontrar el camino de menor resistencia para liberar su energía. Esto a veces implica lanzar fragmentos a cientos e incluso miles de metros de distancia. Parámetros y variables como pequeños burdens, tacos insuficientes, mayores los kilogramos por barreno, macizo fracturado incrementan la distancia potencial de flyrock.

Además, las voladuras son eventos que eyectan y dejan una gran cantidad de polvo en suspensión en muy corto tiempo, este puede provocar la molestia de comunidades, generando reclamos que pueden poner en riesgo la continuidad operacional de la mina.

Factores críticos para no tener humos son el conocimiento del macizo rocoso, la presencia de agua, el uso de explosivos adecuados y el QA/QC de las operaciones de perforación y voladura (Orica, SEB Course 2022).

Desarrollo

Para minimizar y controlar estos impactos, existen diferentes técnicas, tecnologías, software de simulación y herramientas de control/monitoreo que son explicadas a continuación:

Técnicas

Reducción de diámetro

El diámetro de perforación tiene directa relación con la cantidad de explosivo y energía liberada por retardo (en el caso de deck simple). Esto tiene impactos en las vibraciones, ruido y proyecciones de roca generados por la voladura. La Figura 1 muestra un ejemplo ilustrativo de cómo es posible reducir la energía liberada por retardo reduciendo el diámetro de perforación.

Doble Capa

La innovadora técnica de voladuras en Doble Capa consiste en el carguío de barrenos con doble decks con un taco intermedio entre ellos, los cuales son detonados con algunos segundos de retardo generando dos capas.

Esto permite que la capa superior se comporte como un “colchón” de material fragmentado que permite controlar la energía, eyección de polvo, niveles de vibración y ruido de la capa inferior (Gonzalez, 2015).

Paneles & Screening

Esta técnica consiste en subdividir una voladura en paneles de menor tamaño, los cuales son detonados con diferentes tiempos entre si generando descansos entre ellos (Vergara, 2015). Esto permite liberar la energía de la voladura de manera gradual y generar un efecto screening, hacia un punto de interés específico que se desee proteger. Esto asegura que las ondas de vibración generadas por la voladura al viajar a través de la roca quebrada sean interrumpidas (filtradas) antes de llegar al punto de interés (Amstrong & Blair 1998) (Orica Case Studies, 2014 - 2015).

Tecnologías

Explosivos de baja energía

Estos explosivos forman parte de una gama de emulsiones de energía ajustable de acuerdo con la densidad deseada, alcanzando valores entre 0.50 a 1.10 g/cm³, diseñadas para mantener niveles de vibración controlados, tanto para comunidades próximas como para la estabilidad de paredes.

Además, este tipo de explosivos permiten mejorar la fragmentación al tener una mejor distribución de energía en el barreno, no generan humos ni gases al tener un mejor balance de oxígeno (sin nitrato) y permiten tener un mejor control de flyrock al reducir la presión de detonación.

En la Figura 5, se puede observar que este tipo de explosivos tienen menor energía relativa en volumen (Relative Bulk Strength, RBS) cuando son comparados con el ANFO, menor velocidad de detonación (VoD) que los explosivos tradicionales y menor densidad, consecuentemente menor presión de detonación lo que impacta directamente en las vibraciones transmitidas al macizo rocoso.

En la Figura 6 se observa una comparación entre un explosivo convencional de densidad de 1.3 g/cm³ y un explosivo de baja energía con una densidad 0.9 g/cm³.

El comparativo de explosivos de la Figura 6 muestra una reducción de energía del 24% para la misma masa de explosivo y una reducción del 45% en la presión de detonación.

Detonadores inalámbricos

Con la nueva tecnología de detonadores totalmente inalámbricos, al no tener cables en superficie, es posible usar cubiertas de material previamente fragmentado para reducir eyecciones, permitiendo "volcar" material de bancos superiores a un banco ya cargado. Con eso, habría un mejor control de eyección para minimizar el riesgo de flyrocks.

Además, esta tecnología, brinda flexibilidad y seguridad en las voladuras en sectores críticos próximos a comunidades, al administrar un número de voladuras y volumen por evento, es decir, menos eventos por semana, al permitir el precarguío de barrenos.

Software de simulación

Generalmente cuando no se cuentan con herramientas computacionales se utilizan modelos determinísticos para evaluar procesos, sin embargo, actualmente existen software de simulación que aplican modelos probabilísticos para el análisis de vibraciones y flyrocks entregando un análisis más robusto para la toma de decisiones.

Los modelos determinísticos son aquellos que con los datos de entrada entregan un único resultado, sin tener en cuenta la variabilidad de los parámetros y condiciones que se puede ver enfrentado un proceso productivo.

En cambio, los modelos probabilísticos son aquellos que no responden a una única solución, sino a múltiples resultados asociados a la probabilidad de ocurrencia.

Por lo tanto, el modelo probabilístico entrega resultados más representativos de la realidad que permiten tomar decisiones más acertadas.

Modelo probabilístico de vibraciones Montecarlo

Un modelo Montecarlo, es un método de análisis estadístico que permite obtener soluciones a problemas matemáticos o físicos a través de pruebas aleatorias repetidas. La simulación de Montecarlo es una técnica que combina conceptos estadísticos (muestreo aleatorio) con la capacidad de las computadoras para generar números aleatorios y automatizar cálculos (Blair, 1999).

El modelo de Montecarlo para vibraciones considera variables de entrada como: onda elemental, velocidad de propagación de onda (Vp) de la roca, modelo de vibraciones y diseño de voladura. Luego usando el principio de superposición de ondas, realiza N° simulaciones (100 – 1,000 por ejemplo), el resultado es una distribución de probabilidad que predice la probabilidad de exceder cierto Peak Parcticle Velocity (PPV) en un punto de monitoreo (Noy, 2005).

En la Figura 11 se observa un ejemplo que luego de realizar 1,000 simulaciones, el modelo indica que existe un 95% de probabilidad de que el PPV en el punto de interés esté bajo 2.6 mm/s.

Análisis probabilístico de flyrocks

Basados en la experiencia, es sabido que los parámetros que rigen la generación de flyrocks tienen desviaciones operativas en el campo. Por lo tanto, es necesario comprender cómo estas pueden generar diferentes trayectorias dentro de un radio de interés. Aplicando los modelos de Richards & Moore, (Richards & Moore, 2005) y asumiendo una distribución normal de los principales parámetros de entrada, es posible calcular mediante simulaciones de Montecarlo la probabilidad de superar una determinada distancia, y proporcionar una herramienta robusta para el cálculo del radio de exclusión.

Además, existen otros software sofisticados de modelamiento que calculan las trayectorias de rocas en movimiento para hacer predicciones probabilísticas de flyrock, basadas en los conceptos de velocidad inicial, ángulo inicial, tamaño de partícula, forma, rotación y la influencia de la resistencia del aire a altitudes específicas (Batten & Henley, 2021).

En la Figura 12 se puede observar un ejemplo de simulación de las trayectorias de partículas para ciertos parámetros operacionales.

En la Figura 13 se muestra un ejemplo de simulación de distribución probabilística de 1,000 iteraciones de las distancias en un plano horizontal que pueden volar partículas bajo ciertos parámetros operacionales.

Herramientas de control/monitoreo

Sistema de registro operacional digital

Generalmente los parámetros operacionales de perforación y voladura son registrados manualmente en papel y son digitalizados al final de turno. Un sistema de registro digital con actualización en tiempo real permite un control eficiente de los procesos, desde la planificación, medición y registro de parámetros durante la operación para su rápido análisis y toma de decisiones en línea con los procesos (Orica, 2020).

Con la información planificada, así como la obtenida en terreno, realizando y presentando automáticamente los análisis de QA/QC de cada voladura y archivando los datos de todas las voladuras realizadas para consulta a usuarios se puede identificar las oportunidades de mejora a los procesos y desviaciones operacionales que pueden tener distintos impactos en todos los resultados esperados.

En la Figura 14 se muestra un ejemplo gráfico de un control de carga por barreno, un parámetro clave para operaciones próximas a comunidades donde el control de vibraciones es crítico, las cuales están directamente relacionadas con la carga por retardo.

En la Figura 15 se puede observar un ejemplo de control operacional de altura de taco final por barreno, un factor crítico para la confinación de energía explosiva por barreno para el control de flyrocks, eyección de polvo y airblast. El registro digital en tiempo real permite a los profesionales simular bajo condiciones reales, tomar decisiones y entregar recomendaciones operacionales.

Sistema de medición y monitoreo de vibraciones

El cumplimiento con los límites locales de vibraciones y airblast generadas por las voladuras es de crucial importancia para mantener la licencia para operar de muchas minas con unidades próximas a comunidades. La medición y registro automatizado de vibraciones, ruido y airblast sin intervención de terceros es clave para la confianza, transparencia y tener un sistema totalmente auditable.

Un sistema totalmente autónomo, con estaciones fijas ubicadas en sectores de fallas y comunidades para el monitoreo de vibraciones, ruido y airblast asegura que se midan y registren todas las voladuras, y que no puedan ser manipuladas, de esta forma todas las partes interesadas como autoridades reguladoras, comunidades y empleados pueden tener acceso a las mediciones reales.

Los registros históricos de vibraciones, ruidos y airblasts, combinados con los parámetros reales de implementación de voladuras permiten construir modelos robustos e ir ajustándolos a medida que la mina se va desarrollando.

Sistema de medición de movimiento de partículas

Históricamente la medición de movimientos de partículas se ha realizado a través de la grabación de voladuras y procesamiento de imágenes manuales, con toda la complejidad que esto significa y el gran tiempo que esta toma, en los cuales se hace un seguimiento de partículas específicas que el ojo humano permite identificar para concluir lo sucedido; por lo cual generalmente se realiza cuando hay una desviación y/o ha ocurrido un evento.

Actualmente, es posible a través del registro de imágenes de voladuras tomadas por un dron transformarlas en datos para la toma de decisiones. Con un sistema de procesamiento de imágenes es posible determinar parámetros de flyrocks como: velocidad inicial, altura máxima, ángulo de proyección, entre otros (ver Figura 18) para los diseños de perforación y voladura realmente implementados en el macizo rocoso correspondiente, los cuales son utilizados para calibrar los modelos probabilísticos de flyrocks y establecer un radio de exclusión seguro.

Otras aplicaciones:

ν Ayuda en la identificación de fallas de encendido o detonación.

ν Detectar disparos fuera de secuencia.

ν Monitorear la eficacia de la voladura en la reducción del impacto en los taludes.

ν Monitorear y mapear daños instantáneos de las detonaciones en el talud.

ν Detectar y mapear caídas de rocas instantáneas y fallas de sub-bancos.

ν Identificar movimiento en estructuras principales y grietas por tensión.

Resultados: caso de estudio mina Brasil

Proyecto control de vibraciones y optimización de costos

Debido a los estrictos controles ambientales a los que están sometidas las operaciones de voladuras en esta mina ubicada en Brasil, que incluye una restricción de nivel máximo de vibraciones de 3 mm/s (PPV), las voladuras ubicadas en áreas cercanas a la comunidad se realizan utilizando la técnica de doble deck (cámara de aire intermedia) con explosivo tradicional blendado 70/30.

Sin embargo, este producto ofrece una flexibilidad acotada en el momento de ajustar su energía para un control adecuado de vibraciones. Al mismo tiempo, el uso de doble deck, impacta en los resultados de fragmentación dada la deficiente distribución de energía en el barreno y altos tiempos operacionales de carguío de explosivo.

Se han definido tres zonas principales de interacción con la comunidad hasta los 1,300 m de distancia de las comunidades: A, B y C, ver Figura 19. Donde la zona A es la más cercana (menor a 500 m de la comunidad), la zona B una zona intermedia (entre 500 y 700 m de la comunidad) y la zona C la más distante, entre los 700 y 1,300 m. Cada una de las zonas tiene configuraciones de carguío de explosivos específicas, donde la zona A, por ser la más cercana a la comunidad, utiliza cargas por barreno menores y a medida que se incrementa la distancia, las cargas explosivas por barreno son incrementadas.

Solución técnica

Buscando la mejora continua en los procesos de voladura y pensando en mejorar aún más los controles ambientales relacionados a vibraciones en voladuras de producción, llevados a cabo en la mina, se decidió implementar un explosivo de baja energía con densidad ajustable entre 0.50 a 1.10 g/cm³, diseñado para operaciones donde, además de una buena fragmentación, también es necesario mantener bajos niveles de vibración.

Resultados

Las pruebas iniciales mostraron una reducción en el orden de ~30% de niveles de PPV para campo medio – lejano, cuando se compara la misma carga entre el explosivo tradicional versus el de baja energía.

Las voladuras donde se aplicó el explosivo de baja energía mostraron una disminución del nivel de vibraciones (PPV-vector suma) medido, en todos los puntos de monitoreo ubicados dentro de la comunidad.

Los registros correspondientes a aproximadamente 50 voladuras promedian valores de PPV del orden de 2 mm/s, cumpliendo con el criterio de restricción máximo de 3 mm/s y estando, además, en promedio, un 20% por debajo de los valores de predicción con un 95% de confianza, ver Figura 20.

Además, debido a su baja densidad, este tipo de explosivos proporciona una mejor distribución de energía en la columna explosiva, creando zonas de mejor fragmentación en la región intermedia del barreno y eliminando la necesidad de carguíos con doble decks donde se aplicaba. Los resultados muestran mejoras en la curva de distribución granulométrica, disminuyendo en ~ 10% en el 80% pasante (P80) y aumentando la cantidad de porcentaje de finos menor a 1.0 pulgada en torno a ~4 puntos porcentuales.

En términos de costos de P&V, las propuestas entregan ahorros promedio de un 15% por expansión de malla. También se observa una disminución de los tiempos operacionales de carguío de barrenos en el orden de 25% en las zonas donde se reemplazó el doble deck por columna continua. Beneficios adicionales se pueden observar en aumentos de la productividad de equipos de carguío en torno al 5%, en las zonas donde fueron implementados los nuevos diseños optimizados con el uso del nuevo explosivo.

Aplicación de modelos Montecarlo

El proyecto también implementó modelos de vibraciones probabilísticos Montecarlo, lo que implica un mayor nivel de certidumbre sobre el resultado predicho versus el medido.

Para la construcción de los modelos fue necesario obtener una onda elemental en el punto de interés, medir en terreno la velocidad de propagación de onda en la roca (Vp), y obtener los parámetros K y alfa del modelo de vibraciones. Luego, usando datos de voladuras reales los modelos fueron calibrados.

Los gráficos de la Figura 22 muestran los PPV simulados versus el PPV real medido en el punto de interés en la comunidad, para diez voladuras analizadas. El gráfico superior muestra los PPV simulados por el modelo Montecarlo en celeste con un 95% de confianza a ser menor y el gráfico inferior muestra los PPV simulados por el modelo determinístico en verde. Se observa que Montecarlo tiene una mejor adherencia y refleja mejor la variabilidad de los diferentes diseños y condiciones de la voladura. Mientras que el modelo determinístico entrega resultados simulados dentro de una media.

La aplicación de modelos probabilísticos permite a través de simulaciones encontrar la mejor secuencia de iniciación, antes de realizar una voladura en alguna región critica próxima a una comunidad, a modo de ejemplo se evalúan y simulan dos secuencias de iniciación, donde la propuesta genera un PPV 20% menor, ver Figura 23.

Análisis probabilístico de flyrock y cerco de área

Para la recuperación de minado de reservas, la operación requiere ajustar los diseños de perforación y voladura para trabajar en forma segura en un radio de exclusión de 100 m. El radio para los diseños actuales es de 500 m. Para lograr este objetivo se trabajó en la calibración de los modelos de flyrocks para los macizos rocosos involucrados en la zona de trabajo a través del análisis de videos y luego considerando los desvíos operacionales en campo se simularon distintos escenarios.

Se puede observar para los diseños actuales, con un diámetro de perforación de 9” y taco de 4 m, el radio de 500 m es seguro.

Considerando los principales mecanismos de flyrocks de esta mina (Cratering y Stemming Ejection), existe un 100% de confianza de no sobrepasar los 430 y 331 m, respectivamente.

Luego, se simuló el escenario de tener un diámetro menor 5” y taco 5 m, considerando los desvíos operacionales, el modelo muestra que es posible reducir el radio de exclusión a 100 m. Los resultados fueron posteriormente validados con pruebas en terreno.

Los modelos probabilísticos de flyrocks entregan una mayor confianza a la hora de definir un cerco de área seguro. Sin embargo, es importante señalar que para definir un cerco de área siempre es necesario aplicar sobre ese valor un factor de seguridad (FS), definido por los responsables de la operación, siempre superior a 1.

Paneles & efecto screening

Esta operación tiene la necesidad de realizar voladuras en regiones muy próximas a infraestructuras críticas, por lo cual se hicieron pruebas preliminares para cuantificar el efecto screening para reducción de vibraciones.

El objetivo es crear una zona de daño entre la voladura y el punto de interés a proteger, a través de una zona de material previamente fragmentado, generando un filtro de ondas vibracionales.

Los principales resultados de las pruebas realizadas fueron:

ν Se observó una reducción de un ~20% de las vibraciones tanto en el campo medio ~200 m como en el campo lejano ~500 m.

ν La reducción de vibraciones se logró aplicando 5 filas de amortiguación.

ν La eficiencia del efecto screening es mayor cuando se aplica en dos bordes laterales del polígono alineado con el punto de interés.

Conclusiones

1. Las voladuras son una actividad esencial para el desarrollo de la minería y extracción de los recursos minerales, sin embargo, generan algunos impactos que pueden ser minimizados con una adecuada gestión, aplicación de técnicas, tecnologías, software y herramientas de monitoreo.

2. Las vibraciones se pueden reducir utilizando explosivos de baja densidad y energía adecuados, controlando la carga máxima por espera (CME) y aplicando otras técnicas avanzadas de voladura como doble capa, paneles y efecto screening. Además, existen modelos probabilísticos avanzados para predicción de vibraciones que una vez construidos y calibrados pueden ser aplicados en regiones críticas con una buena adherencia.

3. Flyrocks son eventos cuya probabilidad de ocurrencia se puede minimizar tanto como sea posible con diseños apropiados, técnicas de voladura avanzadas y tecnologías disponibles, junto con el aseguramiento de calidad y control de calidad estricto en el banco. Además, existen modelos que nos permiten (una vez calibrados) determinar el alcance máximo de un potencial flyrock con un factor de seguridad adecuado, con el fin de garantizar la seguridad de la operación.

4. El caso de estudio de la mina en Brasil muestra como aplicando estos conocimientos y tecnologías disponibles, junto con una adecuada gestión, es posible reducir los impactos generados por voladuras en operaciones próximas a comunidades, garantizando la licencia para operar y permitiendo movilizar recursos minerales de manera sostenible.

Agradecimientos

El autor y coautores agradecen la colaboración y trabajo en equipo del Departamento de Perforación y Voladura de la mina en Brasil. Además del continuo, valioso apoyo y la generosa colaboración de Rolando Fuentes y Alvaro Andrades del equipo de Technology Solutions – Blast Engineering de Orica América Latina, por su cooperación y sugerencias realizadas en el desarrollo de estos trabajos.

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