Ventajas del empleo de aditivos en pastas de relleno mineral – Mine Paste Backfill

Los beneficios de incorporar aditivos químicos en diseños de pasta de relleno son numerosos y rentables, especialmente en términos de ahorro de consumo de energía, de cemento, reducción del tiempo de inactividad y bloqueos de tuberías, así como la reducción en los costes de mantenimiento de la planta. El empleo de aditivos es una herramienta de optimización de la pasta que influye directamente en la calidad del relleno y los numerosos centros de costes operativos.

El uso de aditivos permite ajustar y modificar muchas variables de la mezcla de pasta. Las siguientes variables pueden modificarse para obtener una optimización de la pasta: mejora del comportamiento reológico (tixotropia, consistencia, bombeabilidad), reducción del contenido de agua y cemento o cambio de tipo del mismo, incremento del contenido en sólidos y resistencia a compresión así como menores tiempos de curado.

Un ajuste en cualquiera de las variables de diseño de la mezcla puede resultar en mejoras significativas de la relación coste-rendimiento y la reducción de los gastos operativos generales. Los resultados de los ensayos han demostrado que la adición de un solo aditivo a una dosificación relativamente baja, 1% a 3% en peso de cemento, puede tener potentes efectos en la optimización de los parámetros enumerados anteriormente. El requisito previo es el análisis de la mineralogía y granulometría de los estériles y relaves, lo cual permite el desarrollo y posicionamiento individual del aditivo usado en cualquier operación de relleno con pasta.

Este artículo describe los resultados de diferentes pastas de relleno mineral y cómo posicionar el aditivo correcto.

El número de operaciones de relleno de pasta mineral está aumentando a nivel mundial, respaldado por el incremento de la sensibilidad medioambiental sobre el almacenamiento superficial de los estériles y relaves, así como también por la utilización de plantas de pasta modernas y rentables.

Las motivaciones para emplear aditivos en el relleno de pasta son variadas, incluido el incremento creciente de los costes en los últimos años, a nivel mundial, tanto de cemento y conglomerantes, como de los equipos. La reducción del consumo de cemento es, por lo tanto, el principal factor a la hora de evaluar el uso de aditivos químicos en el diseño de pastas. Las características de las pastas son tan diversas como la naturaleza de los propios depósitos minerales, lo que conduce al diseño de una gran diversidad de mezclas de pasta para cada caso. Esta diversidad tiene a su vez una gran influencia en la elección del aditivo adecuado, objeto principal de este artículo.

Diagrama de flujo (Flowsett).

Recientes investigaciones y ensayos in situ han demostrado que el enfoque ‘un producto para todo’ es incorrecto cuando se trata de aditivos para pastas de relleno. La elección del tipo adecuado de aditivo, influye en gran medida en las propiedades reológicas de la pasta y, por lo tanto, optimiza el coste y el rendimiento de la mezcla.

Los depósitos minerales se forman por diferentes procesos físicos y químicos en la corteza terrestre desde su origen y a lo largo de los procesos de deformación posteriores. Estos procesos definen la formación de las características específicas de cada tipo de depósito. Una pasta procedente de un depósito tipo Skarn de cobre y oro que podría tener una composición mineral relativamente gruesa y una química dominada por el ambiente calcáreo en el que se formó, reaccionará de manera muy diferente a un aditivo que un depósito formado en un entorno epitermal donde el mineral debe ser finamente molido debido a la posible naturaleza refractaria de los metales de interés y la composición química completamente diferente.

Tales diferencias mineralógicas y geoquímicas influyen en el éxito o el fracaso de un aditivo elegido y, por lo tanto, cada caso debe evaluarse cuidadosamente para encontrar el aditivo más adecuado. Tanto los ensayos in situ como los ensayos en laboratorio con materiales procedentes de diferentes emplazamientos, han demostrado que las pastas derivadas de diferentes tipos genéricos de depósitos minerales tienen un comportamiento diferente según el tipo de aditivo. Los siguientes tipos genéricos de depósitos se han estudiado hasta el momento:

• Depósitos polimetálicos VMS (sulfatos masivos volcanogénicos)
• Depósitos polimetálicos de SEDEX (Exhalativos sedimentarios)
• Depósitos orogénicos.
• Depósitos epitermales de plata y polimetálicos.
• Depósitos de Skarn de cobre y oro

Estos diferentes tipos de depósitos minerales son los más habituales en minería metálica explotada por cámaras y en los que generalmente se emplea el relleno de cámaras con pastas. El objetivo de este trabajo fue identificar qué aditivos químicos interactúan mejor en función de la granulometría y la mineralogía de las diferentes pastas, así como los conglomerantes utilizados para lograr el máximo efecto plastificante que es clave para optimizar los costes de una mezcla de las pastas. Las características clave de los cinco tipos de depósitos minerales genéricos ensayados se describen brevemente, dando prioridad a los parámetros que puedan afectar el rendimiento del aditivo en las pastas. Una visión general de los tipos de depósitos genéricos se expone en la figura 1.

Depósitos polimetálicos VMS (sulfuros masivos volcanogénicos)

Los depósitos VMS se forman sobre y debajo del lecho marino a lo largo de las dorsales oceánicas donde las placas oceánicas divergen. Los depósitos de VMS son una fuente importante de plomo, zinc y plata. La lixiviación de las rocas fluyentes máficas o félsicas por el agua de mar circulante, alimentada por una fuente de calor magmático, conduce a un patrón de mineralización y alteración distintivo que incluye una intensa alteración de clorita y la formación de otros filosilicatos como sericita, biotita y otros. La calcita y el cuarzo son habituales en la composición del mineral. La mineralogía suele ser relativamente gruesa (> 90 micras).

Depósitos polimetálicos de SEDEX (Exhalativos sedimentarios)

Los depósitos SEDEX son similares a los depósitos VMS en términos de contenido de metales, pero generalmente hay ausencia de una fuente magmática. El régimen de alteración es menos pronunciado que con los depósitos de VMS y las vetas de arcilla son comunes (Goodfellow et al., 1993). Extensas zonas de silicificación pueden estar presentes (Moore et al., 1986). En términos de tamaño de grano, los depósitos de SEDEX son generalmente más finos que los depósitos de VMS y la barita puede estar estrechamente asociada con el mineral (Robb, 2005).

Depósitos orogénicos, de oro alojados en diorita

Los depósitos orogénicos son una fuente importante de oro. A pesar de encontrarse en una variedad de rocas, que van desde la composición félsica a la máfica, a rocas sedimentarias o plutónicas (Hagemann y Cassidy, 2000), la mineralogía está dominada por el cuarzo y en algunos casos la calcita alberga el oro y otros subproductos menores en forma de vetas distintas. La alteración está presente y puede formar cloritización intensa y carbonatación, sericita, biotita o fuerte hematización. El tamaño de grano puede variar fuertemente de menos de 50 micras a un tamaño muy superior a 100 micras.

Depósitos epitermales

Los depósitos epitermales son una fuente importante de plata, oro y muchos otros subproductos. Los fluidos ácidos son capaces de lixiviar la mayoría de los elementos principales de las rocas volcánicas que los albergan (Robb, 2005). La mineralogía suele ser compleja y se origina a partir de fluidos hidrotermales derivados de una fuente magmática o meteórica que incluye alunita, caolinita y sericita (Arribas et al., 1995). El tamaño del grano varía fuertemente según la naturaleza refractaria de los metales de interés.

Depósitos de Skarn

Los depósitos tipo Skarn son una fuente importante de cobre y oro, así como de zinc, plomo y otros subproductos. La mineralogía Skarn puede describirse como compleja, incluyendo distintas zonas de alteración dependiendo de dónde se formó el Skarn. Es bastante común el proceso de paragénesis mineral de silicato de calcio dentro de las rocas intrusivas o paquetes sedimentarios adyacentes. Los minerales frecuentes son granate, piroxeno, anfibolita y epidota (Einaudi et al, 1982). También la biotita y el cuarzo son comunes. El tamaño de grano suele ser relativamente grueso.

La idea detrás del uso de aditivo en las operaciones de relleno de cámaras es su capacidad para plastificar las mezclas y, por lo tanto, para reducir el contenido de agua de la pasta manteniendo la trabajabilidad. Este principio es el mismo que el de la tecnología de hormigón y describe la influencia de una baja relación agua-cemento en la resistencia final del hormigón (figura 2) que se conoce desde hace más de 100 años (D.A. Abrams 1918).

Los tipos más recientes de ‘superplastificantes’ se basan en éteres de policarboxilato (PCE's). Según lo descrito por Giraudeau et al. 2009, la efectividad de los PCE en las pastas de cemento se basa en cadenas de policarboxilato cargadas negativamente que interactúan con las partículas de cemento con carga positiva. Al mismo tiempo, estas cadenas estructurales crean un efecto de repulsión estérica que dispersa las partículas de cemento entre sí.

¿Pero qué está realmente influenciando el comportamiento reológico del hormigón? El tamaño de grano juega un papel importante según Van der Waals, las fuerzas electrostáticas (carga superficial), la inercia y la gravedad desempeñan su papel de manera diferente en diferentes tamaños de grano (Giraudeau et al., 2009). Este hecho es particularmente importante cuando se trata de estériles de grano fino donde los finos juegan un papel vital debido a la gran superficie disponible para la interacción entre partículas. Al igual que en el hormigón, un cierto límite de fluencia debe ser superado para hacer fluir la pasta. Encontrar el ‘dispersante’ correcto en la dosificación correcta para maximizar la reducción de la relación agua/cemento, y minimizar el consumo de cemento para un requerimiento de resistencia específico, es el principal objetivo.

Esta teoría del hormigón puede variar para el caso de las pastas de relleno. A diferencia de un hormigón, una pasta contiene muy poco cemento (usualmente entre 3-8% del peso total) con el que el aditivo pueda interactuar. Un aditivo necesita interactuar con todo o al menos un cierto porcentaje de la porción total de finos de las pasta con el fin eficiente uso a dosis económicas.

Para diseñar y posicionar el aditivo más eficaz para una determinada mezcla de pasta, es importante comprender bien la composición mineralógica de la mezcla de pasta y su efecto sobre un cierto aditivo. Como se muestra más adelante en este artículo existe una gran variación en los resultados cuando se seleccionan diferentes PCE en comparación con tecnologías más antiguas, como lignosulfonatos y productos base naftaleno (figura 6). Esto es lógico cuando se compara la composición de diferentes pastas entre sí. Una pasta más o menos inerte, rica en cuarzo de una veta de oro orogénica interactuará de forma muy diferente a un aditivo dado que una pasta compleja derivada de un depósito VMS rico en filosilicatos.

Pasta procedente de un depósito polimetálico VMS en Europa

Esta pasta mineral contiene sulfuros ricos en hierro, que representan hasta el 75% de la masa total. La clorita y moscovita son las fases dominantes de los filosilicatos, según análisis de difracción de rayos X, (figura 3), lo cual influye significativamente en las propiedades reológicas de la pasta. La pasta debe alcanzar la resistencia a 28 días de 1,6 MPa a una dosificación de cemento del 4,5%. El contenido en sólidos total de la pasta varía entre 78 a 84% y la consistencia debe ser del orden de 18-20 cm para garantizar la bombeabilidad. El tamaño del grano es relativamente fino con 90% pasando por el tamiz de 50 micras.

No fue posible alcanzar la resistencia requerida con el diseño de mezcla inicial de la pasta. Por lo tanto, se seleccionaron varias mezclas y se concluyó que al usar Sika Stabilizer-302 MBF a una dosificación de 1.8% en peso de cemento, la consistencia podía aumentar drásticamente (figura 4) al mantener la original mezcla constante de diseño. En un siguiente paso, fue posible reducir el contenido de agua en la mezcla alrededor de un 30-40%, lo que redujo la relación agua/cemento en tal grado que se logró fácilmente la resistencia necesaria de 28 días de 1,6 MPa. El consumo de conglomerante podría reducirse en un 25-30% y existe la posibilidad de cambiar a un tipo de cemento más económico disponible en la región. El sangrado se redujo a niveles no observables.

Pasta de depósito de plata epitermal, América Latina

Esta pasta tiene un contenido en sólidos de 77-80% y los estériles son relativamente gruesos, con un 90% por encima de 220 micras. La resistencia debía estar entre 0,35 y 1,75 MPa, dependiendo de si la pasta se utiliza para el vertido primario o secundario, así como si el relleno se produce en cámaras primarias o secundarias. Los diseños originales de la mezcla se basaron en un 6% de comglomerante para el relleno secundario y hasta un 15% para el relleno primario. Se requiere una consistencia de 22 cm para permitir el bombeo de la mezcla. La mineralogía de la pasta es compleja y está dominada por las fases de cuarzo y calcita. La sericita y la biotita, así como la caolinita y, en menor medida, la clorita, están presentes. Con un 3% Sika de Stabilizer-301 MBF, fue posible aumentar la consistencia en más del 100% (figura 5) respecto a la mezcla original. Debido al fuerte efecto plastificante (figura 5), el cemento podría reducirse gradualmente hasta en un 50% sin modificar la consistencia. No se produjo ningún sangrado con la mezcla optimizada y el objetivo de 1,5 MPa a los 28 días se pudo conseguir mediante la dosificación de cemento al 6%, la mitad de la dosificación inicial.

Depósito de oro orogénico, África occidental

La pasta de estas cámaras originalmente tenía un contenido en sólidos de 80% y una consistencia de 20-22 cm. La pasta se mezcla con estéril triturado (figura 7) y para evitar la segregación de los áridos, el relleno debe ser lo suficientemente estable como para mantener esta fracción más gruesa dentro de la mezcla. La mineralogía es típica para el oeste de África, vetas de oro Birimian y dominada por el cuarzo, óxidos de hierro y material carbonoso en menor medida. El contenido de conglomerante varía según el requisito de resistencia a 28 días, que es de 1 MPa a aproximadamente el 6% de cemento para los rellenos secundarios y de 2 MPa a aproximadamente el 8-9% de cemento para los rellenos primarios.

Al 2% de Sika Stabilizer-305 MBF, la consistencia aumenta 3 veces manteniendo constante la mezcla inicial (figura 7). En una siguiente etapa, el contenido de cemento de la pasta se pudo reducir en un 25-30% y la resistencia objetivo se alcanzó mientras se mantenía la consistencia (figura 8). Además, el contenido en sólidos de la pasta se incrementó, el sangrado se redujo a niveles no visibles y la mezcla combinada de pasta y árido mostró ser extremadamente estable (figura 8).

El relleno con pasta de cámaras es un componente crítico y costoso dentro de las labores mineras. Debido al incremento de precios de las materias primas, se busca mejorar la eficiencia y optimizar los costes. Los aditivos químicos poliméricos son una opción viable para optimizar los costes en las operaciones de relleno de pasta en todo el mundo. Los ensayos ‘in situ’ y en laboratorio han demostrado el poderoso efecto de la elección correcta de los aditivos en la reología de la pasta.

Una reducción del 30-40% de aglutinante está muy a menudo dentro de los límites alcanzables a pequeñas dosificaciones de aditivos. Sin embargo, una comprensión fundamental de la mineralogía, la distribución del tamaño de partícula y el comportamiento de los conglomerantes de la pasta son claves, a fin de encontrar la mezcla óptima. Consecuentemente, se puede mejorar una gran variedad de parámetros, incluyendo costes de mantenimiento para la infraestructura y el equipo de relleno de pasta, mejora de la reología y bombeabilidad, reducción de consumo de cemento, incremento del contenido en sólidos y de las resistencias a la compresión, así como reducción de los tiempos de curado.

Bibliografía

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