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Detección, cuantificación y localización de los puntos críticos en cada voladura y cámara

Sistema de evaluación de calidad de resultados de voladuras en abanico, empleado en explotaciones Sublevel Stoping

Laredo Rodríguez, Roberto Carlos. Real Miners Consulting S.L., España01/07/2019

En el resultado de voladura hay dos parámetros básicos que definen la calidad de esta: la sub excavación o pérdida y la sobre excavación. La primera de estas deficiencias implica una pérdida económica importante y en ocasiones crítica. Esto adquiere especial relevancia en las explotaciones subterráneas, en donde la accesibilidad es limitada y la posibilidad de re-perforar o emplear equipos mecánicos con martillo puede ser inviable. En cuanto a la sobre excavación, aunque no necesariamente sea origen de dilución, es otra deficiencia importante. En el caso de explotaciones Sublevel Stoping con secuencias de primarios y secundarios, puede complicar el diseño y las operaciones de perforación en secundarios y generar problemas de estabilidad.

De cara a poder mejorar los resultados obtenidos en las voladuras de producción, es necesario cuantificar y establecer el origen del problema.

En el presente artículo se establece una metodología de evaluación, para valorar el nivel de calidad obtenido en voladuras de producción. Este se determina a partir de los porcentajes de pérdida de mineral y volúmenes relativos de sobre excavación. La pérdida de mineral, se evalúa en porcentaje por simplicidad a la hora de determinar su valor económico respecto el total de la cámara. Para la sobre excavación se trabaja con volúmenes relativos, y no porcentuales, de esta forma se eliminan las distorsiones originadas por la influencia del tamaño de cámara. Ambos parámetros se relacionan y ponderan de forma que se obtiene una valoración numérica del nivel de calidad. El back análisis de la calidad final de las cámaras es esencial para el control de dilución y permite establecer consideraciones geotécnicas a tener en cuenta en la fase de diseño.

1.- Introducción

Cuando se realiza la explotación de una cámara, los objetivos perseguidos son la obtención de la máxima recuperación de mineral con la mínima sobre excavación, es decir, obtener una geometría final de hueco lo más similar posible a la establecida en diseño. La pérdida (Figura 1) implica reducción del beneficio económico y la sobre excavación (Figura 2), dilución y en algunos casos inestabilidad, al sobrepasarse los radios hidráulicos de diseño. La existencia de estos elementos puede dar lugar a geometrías poco estables que propician la caída de rocas o colapsos puntuales. (Roberto Laredo, Benjamín Cebrián, 2016; María Rocha, Roberto Laredo, Benjamín Cebrián 2017).

En las explotaciones en las que se desarrolló este estudio, se realizaba únicamente una valoración cuantitativa en la fase de reconciliación de cámaras. Esto, aún siendo necesario, no aporta información útil para detectar y por tanto solventar potenciales deficiencias de diseño, de implementación o de valoración geotécnica.

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Figura 1: a) Zonas habituales de pérdida en cámaras. b) Secciones con nivel elevado de sobre excavación, origen de inestabilidad.

En muchas otras explotaciones se emplean metodologías similares comparando el resultado final con el diseñado, volúmenes, tonelajes o leyes del mineral extraído o recurriendo a parámetros como el ELOS. Estos parámetros sin embargo no permiten definir de forma adecuada los parámetros de sobre o sub excavación.

Se plantea así la necesidad de implementar un sistema de evaluación que permita, de forma ágil y simple, detectar cámaras en las que los resultados no se adecúan al objetivo marcado por la compañía. Detectadas estas, se puede realizar un análisis detallado, que permita identificar las causas y establecer los ajustes necesarios en otras cámaras de características similares.

2.- Procedimiento de evaluación

2.1.- Fase inicial

En una primera fase se realizó un estudio de los valores de sobre excavación lineal equivalente (ELOS). Este aportó una serie de resultados que, aún no siendo suficientes para el objetivo marcado, arrojaban información complementaria de cierto interés sobre el comportamiento por muros.

ELOS=Volumen de sobre excavación/área de la cara de cámara estudiada.

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Figura 2. Representación gráfica de ELOS.

Se detectó con esto la existencia de cámaras con potencial riesgo de caídas, según el criterio descrito por distintos autores (Ceputris, P. 2010; Pascoe M. 2005; Villaescusa E. 2004) y mostrada en la tabla 1, y que confirmaba el origen de los bolos que aparecían en algunas de ellas. (Figura 3). A modo de ejemplo se muestran algunos de los datos obtenidos en la tabla 2.

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Tabla 1. Nivel de inestabilidad en base al valor de ELOS (Clark y Pakalnis, 1997).
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Tabla 2. Niveles de inestabilidad de distintas caras de cámara en base al criterio de tabla 1.
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Figura 3. Rocas desprendidas del perímetro de la cámara.

Se realizó también una evaluación de los espesores de sobre excavación y pérdida promedio, de forma que con los datos de ELOS se aclaraba aún más qué zonas de cámara eran problemáticas. En la tabla 3 se indican los valores promedio por zonas de cámara. Estos valores permiten concluir que los niveles de sobre excavación y pérdida de mineral son mayores en cámaras secundarias. Se observa también que los hastiales oeste y sur son los que presentan mayor sobre excavación, relacionándose esto con la orientación de las discontinuidades presentes en la roca.

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Tabla 3. Espesores promedio de pérdida y sobre excavación por zonas.

2.2.- Evaluación de calidad

Para definir el sistema de evaluación de calidad de los resultados de voladura, se decide emplear dos parámetros. El primero, el nivel de pérdida (mineral no arrancado en la voladura) en %. De esta forma es posible cuantificar de forma directa el valor económico de mineral no arrancado, a partir del valor total de la cámara explotada. Por otro lado se considera que la pérdida depende completamente de las deficiencias de voladura (diseño e implementación).

En el caso de la sobre excavación, en lugar de una valoración económica, se establece un criterio geométrico. Esto permite una mejor valoración del resultado de la voladura, al ser en gran parte el resultado de las características y condicionantes geotécnicos del mineral y la roca circundante. Por tanto la sobre excavación no depende de la voladura de forma tan clara como la pérdida.

Se realiza así el cálculo del volumen relativo de sobre excavación y la valoración según la clasificación propuesta por Ceputris en 2008 (Tabla 4).

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Tabla 4. Clasificación según volumen relativo.

El uso de volúmenes relativos permite minimizar la distorsión en los resultados cuando se trabaja en % ya que se elimina la influencia del tamaño de la cámara estudiada.

2.2.1.- Cálculo de Volumen Relativo de sobre excavación

El volumen relativo se calcula a partir de los parámetros de Hemiesfericidad (1), la cual corresponde al área de inestabilidad plana en comparación con su volumen, con el fin de describir la forma tridimensional de sub / sobre excavación, y Extensividad (2), la cual es la medida para evaluar cuán extensa es la área bidimensional de inestabilidad/ pérdida de mineral con respecto a la pared de cámara estudiada.

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Donde:

V = Volumen de sobre excavación (m3).

A = Área de intersección de la sobre excavación con la cara de cámara estudiada (m2).

Ase = Área de sobre excavación (m2).

Ac = Área de la cara de cámara estudiada (m2).

Los parámetros V, A, Ase y Ac son fácilmente medibles empleando softwares mineros de diseño o evaluación.

Conocidos estos valores, se calcula el Volumen relativo (3) mediante:

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Figura 4. Ejemplos de sobre excavación en cámaras.

En la tabla 5 se muestran algunos de los resultados obtenidos de estos cálculos para distintas cámaras con dimensiones de 20 m de ancho por altura de 25 a 60 m y longitud de 20 a 55 m. Son cámaras en sulfuros masivos con RCS de 42.5 a 105 MPa y RQD 54 y Q de 8 como promedio.

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Tabla 5. Algunos de los resultados obtenidos en el cálculo del volumen relativo.

2.2.2.- Establecimiento del nivel de calidad

Una vez obtenidos los valores de volumen relativo de cada cara de una cámara, se calcula el valor promedio de estos, descartándose el de techo por no verse afectado por la voladura y depender del sostenimiento empleado. El valor promedio se establece para obtener un valor de sobre excavación global de la cámara.

De la reconciliación se toma el valor de pérdida de mineral respecto la cámara diseño.

Con lo anterior, se establece una tabla de valoración cuyos valores son ponderados para obtener un valor final que define el nivel de calidad (Tabla 6). Esta valoración se define a partir de datos históricos de sobre excavación y pérdida obtenidos en las reconciliaciones de cámara.

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Tabla 6. Valoración de volumen relativo y pérdida.

A la hora de ponderar los dos parámetros se considera diferencia entre cámaras primarias y secundarias, dándose en este caso un mayor valor al nivel de pérdida que al de sobre excavación.

Así del 100% de la valoración se considera un 40% del peso a la sobre excavación y un 60% a la pérdida en primarios y un 30% del peso a la sobre excavación y un 70% a la pérdida en secundarios. Esta ponderación se establece considerando los resultados históricos obtenidos, consideraciones geotécnicas y niveles de dilución y pérdida asumibles por la compañía.

Es importante tener en cuenta que en secundarios parte de la sobre excavación se produce por caída del material de relleno de los primarios y de difícil control.

Se deberán, por tanto, adaptar a cada mina e incluso a diferentes zonas de esta los ratios de ponderación.

De forma análoga, se definen los ratios de calidad según la tabla 7.

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Tabla 7. Ratios de calidad.

Los resultados obtenidos, ya ponderados según el criterio indicado anteriormente, para algunas de las cámaras, se resume en la tabla 8.

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Tabla 8. Resultados de evaluación de calidad de algunas cámaras.

Se consideran, como dentro de un rango aceptable, aquellas cámaras con un nivel de calidad mínimo de regular. Los porcentajes totales de los niveles de calidad se muestran en la figura 5.

Se puede observar en este que casi el 70% de las cámaras explotadas se encuentran dentro del rango definido como aceptable.

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Figura 5. Gráfico del porcentaje de cámaras según nivel de calidad.

Conocidas las características de las cámaras o zonas de mina en las cuales los resultados obtenidos están fuera de los niveles de calidad fijados, se podrá realizar un estudio a detalle, tanto geotécnico como de diseño, de forma que se puedan establecer las medidas o modificaciones necesarias para mejora.

4.- Conclusiones

El conocimiento cuantitativo y cualitativo de los resultados obtenidos en voladuras, es un elemento fundamental para poder realizar los ajustes y/o modificaciones que permitan llegar a los objetivos de la explotación.

Este procedimiento de evaluación permite la detección, cuantificación y localización de los puntos críticos en cada voladura y cámara.

La posibilidad de poder ponderar los dos parámetros empleados, permite crear un estándar de calidad adaptado a cada mina, o zona de esta, en base a sus condicionantes y en concordancia con los objetivos establecidos por la compañía.

El empleo de esta metodología permite, con un trabajo mínimo durante la fase de reconciliación y análisis, tener un conocimiento no distorsionado del resultado obtenido.

Referencias

  • Ceputris, Peter M. (2010), An Integrated Approach to Span Design in Open Stope Mining. Curtin University of Technology.
  • Ceputris, Peter M. (2010), The use of scale independent measures to asses open stope performance.International journal of rock mechanics and mining sciences.
  • Laredo, R., Cebrián, B. (2016). Optimización y control de calidad en voladuras en anillo. Ingeopress. ISSN 1136-4785, Nº. 251, pags. 16-19.
  • Pascoe M. (2005). Stope Performance at Olympic Dam Mine. Ninth Underground Operators Conference.
  • Rocha, M., Laredo, R., Cebrián, B., (2017). Ring Blasting Design Modeling and Optimization. International Society of Explosives Engineers.
  • Villaescusa, E., (1998) Geotechnical design for dilution control in underground mining.. Mine Planning and Equipment Selection. Singhal R. (ed) Balkema, Rotterdam, 141-149.
  • Villaescusa, E., (2014), Geotechnical Design for Sublevel Open Stoping. CRC Press.
  • Villaescusa, E., (2014), Quantifying open stope performance. https://www.researchgate.net/publication/237422670

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