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Avances tecnológicos en la protección contra desprendimientos de rocas en minería a cielo abierto. Impactos a alta velocidad con rotación

Roberto Luis-Fonseca, Grupo Geobrugg, Suiza

Julio Prieto Fernández, Grupo Geobrugg, España

Dane Wagner, Grupo Geobrugg, Estados Unidos

Ignacio Pérez Silva, Grupo Geobrugg, Chile

Gabriel von Rickenbach, Grupo Geobrugg, Suiza

14/05/2024

En las explotaciones mineras a cielo abierto, los desprendimientos de rocas son un peligro recurrente para el personal, los equipos y las infraestructuras. La mitigación de los riesgos de desprendimiento de rocas suele incluir el diseño geotécnico de bancos y bermas basados en anchos y tamaños determinados empíricamente. Existen además, como alternativa al diseño geométrico, los ya tradicionales sistemas de barreras dinámicas para el control de los desprendimientos de rocas. Estos sistemas de protección se han diseñado y probado durante años, y desde 2001 [FOEN, 2001] existen directrices para regular el diseño y aumentar la seguridad.

Hoy en día se fabrican sistemas de protección contra desprendimientos de rocas de hasta 10MJ de capacidad MEL. En la minería a cielo abierto existen condiciones especiales que los sistemas normalizados actuales no cumplen. Como consecuencia de la actividad minera pueden caer bloques, de dimensiones no muy grandes, pero que se generan desde las partes más altas de la corta, alcanzando velocidades de hasta 45m/s, con una importante componente angular.

Este artículo presenta los antecedentes del empleo de barreras móviles operativas (diseño específico denominadas flycatcher), y mejoras en su diseño e implementación a partir de resultados de ensayos de campo a escala natural. Se están realizando múltiples ensayos de campo a escala (1:1) en el oeste de Estados Unidos, en colaboración con el Instituto Nacional de Seguridad y Salud en el Trabajo (NIOSH) y el Centro de Excelencia Geotécnica (GCE) de la Universidad de Arizona.

Las mejoras en el diseño de la barrera se centran en proporcionar rendimiento, limitar los posibles impactos en las operaciones y lograr un método de instalación más segura, proporcionando a las operaciones una respuesta rápida de reducción del riesgo de los desprendimientos de rocas. Al mismo tiempo, aumenta el acceso a los frentes existentes y reduce la anchura de las pistas, al tiempo que protege a los trabajadores y equipos expuestos con eficacia y a un coste reducido.

A medida que la minería avanza y las operaciones se desarrollan, las flycatcher permitirán aumentar la producción, la eficiencia y la seguridad durante las operaciones mineras.

1.- Introducción

La industria extractiva es a la vez uno de los pilares de la civilización humana por los recursos que proporciona. Los desprendimientos de rocas y deslizamientos son riesgos que además de poner en peligro a personas e infraestructuras, pueden influir de forma negativa en la explotación.

La minería a cielo abierto es un aspecto muy importante de la extracción de materias primas, y está presente en todo el mundo. La explotación de canteras, entre todas las actividades de la industria extractiva, está considerada como una ocupación de riesgo en la que, debido al desarrollo de sus respectivas actividades profesionales, los trabajadores están expuestos a riesgos que pueden repercutir tanto en su salud como en su integridad física. El período que va desde el inicio (estudios) hasta la explotación (producción) de una mina a cielo abierto dura varios años e incluye la prospección/ exploración, la extracción del mineral y la manipulación y gestión de los residuos. Se utiliza maquinaria de gran tamaño, como excavadoras de cables, para trabajar con macizos de roca de resistencia a la compresión (≤ 20MPa) [Pekol, 2019]. Para macizos de roca con mayor resistencia a la compresión, por lo general se aplican ciclos de perforación, voladura y carga. El sistema de transporte posterior depende de las condiciones específicas de la mina (profundidad bajo la superficie, producción anual) y de las influencias medioambientales (emisiones de gases, impacto ambiental, etc.). Las operaciones mineras a cielo abierto entrañan riesgos que pueden provocar la paralización de la explotación, lesiones al personal, daños a los equipos o impactos negativos en el medio ambiente.

En cualquier caso, los desprendimientos de rocas son uno de los principales peligros que generan riesgos. La figura 1 muestra los principales problemas geotécnicos que pueden surgir en la explotación y cómo la mayoría de ellos están asociados a desprendimientos de rocas [Von Rickenbach & Withmell, 2020].

Figura 1.- Principales riesgos en operaciones a cielo abierto, modificado de [Von Rickenbach & Withmell, 2020]
Figura 1.- Principales riesgos en operaciones a cielo abierto, modificado de [Von Rickenbach & Withmell, 2020].

1.1.- Control y mitigación de desprendimientos de rocas

Desde la década de 1950 se han desarrollado e implementado soluciones de interceptación, en general situadas perpendicularmente a la trayectoria de caída de la roca. En un primer momento las soluciones eran rígidas y se basaban en el peso propio de la estructura de contención; se construían muros de hormigón y terraplenes para interceptar la trayectoria de los bloques [González-Gallego & Luis-Fonseca, 2007].

En 1951 y como sistematización de las barreras flexibles para el control de aludes de nieve, se desarrollaron las primeras barreras con paramento de acero flexible (<1770 MPa), con un enfoque energético optimizado, constituidas por materiales ligeros y resistentes, capaces de absorber gran cantidad de energía [Luis-Fonseca et al., 2024]. En la actualidad, estos sistemas han avanzado exponencialmente en la dirección de la seguridad, alcanzando niveles energéticos muy elevados. El objetivo de esta contribución es mostrar los resultados de la experimentación e implementación de un modelo específico de barrera móvil-temporal (flycatcher), dedicado a la protección contra las muy frecuentes caídas de bloques de bajo nivel energético, caracterizadas por su alta velocidad angular y traslacional. Estas barreras móviles operativas o flycatchers se vienen utilizando desde hace más de una década en frentes de mina a cielo abierto, de diferentes materiales. Algunas de ellas han demostrado empíricamente su eficacia en el control de pequeños desprendimientos de rocas y su rápido proceso de instalación, pero sin ningún análisis de soporte técnico, ni definición sobre sus limitaciones ni capacidades. Este ensayo de campo y su análisis forman parte de los primeros pasos en esa dirección.

1.2.- Normativa

La certificación de las barreras de protección contra desprendimientos de rocas ha sido una de las principales demandas del mercado en términos de mitigación de riesgos, que ha promovido su aplicación generalizada en los últimos años [Caviezel et al., 2022]. La certificación garantiza que la barrera cumple las normas de rendimiento, lo que permite a los ingenieros elegir el tipo de barrera adecuado. En 1980 se podían absorber energías de 200 kJ con velocidades bajas (menos de 10 m/s) y masas de 4.000 kg.

En la última década, los sistemas se han desarrollado exponencialmente. En 2001, se publicaron las primeras directrices en Suiza [Gerber 2001], en ese momento el nivel de absorción de energía era de 3.000kJ (25m/s), se hicieron algunas modificaciones a esta primera versión [Gerber 2006]. Seguido por las directrices de la UE en 2008 la Directiva de Aprobación Técnica Europea (antigua ETAG 027) [EOTA, 2018] para estandarizar esta actividad a nivel europeo, que se publicó el 1 de febrero, y en julio de 2018, debido a un cambio de estrategia y nomenclatura en la EOTA, se convirtió en el actual Documento de Evaluación Europeo (EAD-340059-00-0106) [EOTA, 2018], cuya aplicación ha tenido diferentes niveles de recepción en cada país de la Unión Europea.

Fuera de Europa, el desarrollo normativo ha sido limitado, sin embargo, con el objetivo de aumentar la seguridad, algunas organizaciones han adoptado las actuales recomendaciones normativas vigentes en Europa. Hoy en día, las barreras flexibles (probadas a velocidades de 25 m/s), son soluciones rentables contra los desprendimientos de rocas con amplias capacidades de protección que van desde los 50 kJ hasta los 11.000 kJ, como se muestra en la figura 2.

Figura 2.- Capacidad energética de diferentes sistemas de protección [Caviezel et al. 2022]
Figura 2.- Capacidad energética de diferentes sistemas de protección [Caviezel et al. 2022].

2.- Interacción bloque-suelo en la trayectoria y el bloque-membrana durante el impacto

2.1.- Descripción de la resistencia rotacional en el punto de contacto con el suelo

La resistencia rotacional total que actúa sobre un bloque que impacta en la superficie del terreno [Caviezel et al., 2022] es el resultado de dos movimientos separados: uno derivado del movimiento traslacional del bloque (par traslacional TT fig. 3 izquierda) y otro derivado de la rotación del bloque a medida que marca la superficie del terreno (par rotacional TW, fig. 3 derecha). La suma de TT y TW proporciona la resistencia total al arrastre. Durante la interacción bloque-suelo, el movimiento de traslación de un bloque crea un arrastre rotacional ya que el bloque sólo penetra parcialmente en la superficie del suelo. Al interactuar con el suelo, las propiedades del suelo son cruciales para determinar cómo se va a aplicar dicho arrastre sobre el bloque.

Figura 3.- Representación del arrastre traslacional (izquierda). Esquema considerando el arrastre rotacional (derecha) [Caviezel et al., 2022]...
Figura 3.- Representación del arrastre traslacional (izquierda). Esquema considerando el arrastre rotacional (derecha) [Caviezel et al., 2022].

2.2.- Interacciones rotacionales en las barreras contra desprendimientos de rocas

Al interactuar con la membrana (* nombre genérico de las redes y mallas de interposición) de interposición de una barrera, después de algunos contactos con el terreno, el comportamiento del bloque es drásticamente diferente. En este caso, el material de la membrana tiene propiedades distintas a las del suelo, el ángulo de impacto es diferente y las interacciones bloque-suelo descritas anteriormente ya no son válidas. De hecho, al observar una secuencia de la interacción entre un bloque con forma de disco (rueda) y una membrana (fig. 4), es posible observar que, en lugar de dejar que el bloque tenga varias fases aéreas separadas por fases de cicatrización y rebote en el suelo, la membrana tiene la capacidad de detener las rotaciones y el desplazamiento global del bloque [Caviezel et al., 2022].

Figura 4.- Secuencia de interacción bloque-membrana, modificada de [Caviezel et al., 2022]
Figura 4.- Secuencia de interacción bloque-membrana, modificada de [Caviezel et al., 2022].

A partir de la figura 4 se pueden hacer algunas observaciones:

  • Al chocar con la barrera, la velocidad de rotación del bloque disminuye (la velocidad de traslación también disminuye).
  • Cuando el bloque se encuentra con la membrana se observa una ligera rotación inversa del bloque. La detención se produce cuando se alcanza la máxima extensión elástica de la membrana.
  • Si un bloque en forma de rueda choca con la membrana por el lado estrecho, entonces gira de modo que el lado más ancho entra en contacto con la membrana. En consecuencia, aumenta la superficie de contacto con la membrana, lo que provoca un aumento de la resistencia aerodinámica del bloque.
  • Al golpear de nuevo el suelo tras la segunda fase de vuelo, el bloque rota y cae sobre la cara plana, y el movimiento se detiene ahí.

2.3.- Respuesta a impactos de alta velocidad

La energía potencial almacenada en un bloque inestable en la parte superior del talud está asociada a su masa, a su ubicación (altura desde la que se libera) y a la aceleración de la gravedad. Una vez que el bloque se moviliza y hasta que entra en contacto con la barrera, esta energía potencial se convierte en energía cinética. La energía cinética del bloque al entrar en contacto con la membrana se divide en una componente traslacional y otra rotacional. Para simplificar, sólo se ha utilizado la energía de la velocidad tangencial (paralela al talud) para determinar la energía traslacional, ya que ésta es decisiva para la entrada de energía en la barrera. La velocidad tangencial puede determinarse evaluando las grabaciones de vídeo. La energía de rotación puede determinarse muy rápidamente a partir de la velocidad angular medida.

Imagen

En el caso de la velocidad traslacional vt, diferentes combinaciones de masa y velocidad pueden dar resultados similares desde el punto de vista energético, por esta razón los ensayos propuestos por los documentos normativos [EOTA, 2018] establecen un valor mínimo de velocidad antes del impacto en torno a 25 m/s. ¿Qué ocurre cuando los valores de velocidad superan los límites establecidos? Se debe comprobar que no se produce el efecto bala y que la membrana no se rompe antes de que las tensiones puedan transmitirse a los elementos de distribución y/o anclaje, situados en el límite de la barrera. La energía de impacto es diferente de la presión de impacto, ya que la presión de impacto expresa la cantidad de energía que se distribuye en un área determinada.

2.3.1.- Ensayo de campo de alta velocidad. Varner, Suiza

Para caracterizar la respuesta del sistema de protección a este efecto bala, se realizaron algunas ensayos [Haller, 2001]. La primera prueba se remonta a varios años atrás, en una carretera de secundaria que conecta las ciudades de Varen - Rumeling en el cantón suizo de Wallis, cerrada al tráfico debido a los graves desprendimientos de rocas ocurridos en el invierno 1999/ 2000. La topografía ofrece una pared rocosa de unos 100 m de altura por encima de la carretera, con accesibilidad al borde de la pared rocosa y sin potencial de peligro por debajo de la carretera (fig. 5 izquierda).

Las autoridades han dado su aprobación para instalar una barrera de prueba de unos 22 m de longitud (fig. 5 derecha). El objetivo del ensayo era probar la barrera contra desprendimientos de rocas con impactos a altas velocidades de hasta 45 m/s. Se dispone de dos plataformas, una a 56 m y otra a 96 m por encima de la barrera. Se han lanzado bloques de hasta 200 kg a mano desde un canal. Los bloques más grandes se han lanzado desde un helicóptero. El peso del bloque se ha determinado de antemano, la precisión del procedimiento era limitada y con frecuencia se golpeaba varias veces el mismo lugar. Las configuraciones de ensayo de las membranas se presentan en la tabla 1.

Figura 5...
Figura 5.- Configuración de la barrera, vista lateral (izquierda) y configuración de la barrera contra desprendimientos de rocas ensayada (derecha) [Haller, 2001].
Tabla 1. Diferentes membranas utilizadas
Tabla 1. Diferentes membranas utilizadas.

La capacidad de absorción de energía de las membranas es aproximadamente un 25% menor cuando se las impacta con alta velocidad (43 m/s) que en el caso de las velocidades habituales (25 m/s) (fig. 6).

Figura 6.- Absorción de energía por tipo de membrana según la velocidad de ensayo [Haller, 2001]
Figura 6.- Absorción de energía por tipo de membrana según la velocidad de ensayo [Haller, 2001].

La capacidad máxima de absorción de energía de la malla G65/3 no pudo determinarse para 27 m/s (faltan datos), los valores representados (~100 kN), son acordes a ensayos anteriores. En la serie inicial la malla G65/3 puede absorber energías de al menos 50 kJ (52 kg desde 96 m) de forma segura y sin ningún daño. La malla estándar de alambre de acero dulce instalada en una red de anillos es penetrada por bloques de 20-30 kg cuando son impactados con velocidades de 43 m/s.

2.3.2.- Instalaciones de ensayo de alta velocidad. Vauffelin, Suiza

Durante 2021 se llevaron a cabo varias series de ensayos [Aschwanden, 2021] en las instalaciones del DTC (Dynamic Test Center, AG) en Vauffelin, Suiza (fig. 7 izquierda). El objetivo de los ensayos es corroborar el funcionamiento eficaz de las membranas de interposición frente a impactos a alta velocidad, utilizando un bloque de ensayo conforme a [EOTA, 2018] (fig. 7 derecha). La membrana primaria es una red de anillos 7/3/350 (1770 MPa), el peso del bloque de ensayo es de 14,8 kg (150x150x150 mm) [EOTA, 2018], velocidad de impacto 60 m/s y energía 26,6 kJ. El equipo de vídeo consiste en cámaras de alta velocidad calibradas y configuradas [SAE J211/2, 2022]. Los resultados de los ensayos se presentan en la Tabla 2.

Figura 7...
Figura 7.- Red de anillos primaria 7/3/350 tensada entre dos postes de acero con malla secundaria unida (izquierda) y bloque de ensayo de acero (derecha) [EOTA, 2018].
Tabla 2.- Resumen de los resultados de los ensayos

Tabla 2.- Resumen de los resultados de los ensayos.

En resumen, las muestras de mallas [Aschwanden, 2021] fabricadas con alambre de acero dulce estándar (simple torsión 50/50/2.5 y hexagonal 80/100/3), no han sido capaces de soportar los impactos al nivel de velocidad requerido (60 m/s), mientras que las mallas de alta resistencia a la tracción como G45/2 y G65/3 son las más apropiadas para soportar este tipo de impactos. Por lo tanto, estas serán las membranas recomendadas para formar parte del modelo de barrera móvil-temporal, objeto de estudio.

3.- Ensayo de campo realizado 

3.1.- Ubicación de la explotación

El 14 de septiembre de 2023 se realizó un ensayo a escala natural. El emplazamiento de ensayo fue la mina Bald Mountain, situada en Ely, condado de White Pine, Nevada, Estados Unidos. Se trata de una de las minas más grandes de Norteamérica en superficie (fig. 8). Bald Mountain es una mina a cielo abierto con una gran cantidad de recursos minerales estimados ubicada a lo largo de la extensión sur del cuerpo Carlin, más de treinta frentes distintos. Fue adquirida por Kinross durante 2016-2018, y es la mayor extensión minera privada en los EE UU, con una producción de aproximadamente 3,7 millones de onzas de oro (dato a 31 de diciembre de 2022).

La explotación se centra en la zona norte, utilizando el método de lixiviación en pilas. La producción de la mina en 2022 fue de aproximadamente 214.094 oz, lo que supone unos 426.475.248 $ teniendo en cuenta el precio del mineral en febrero de 2024 (1.992 $/oz). La explotación se basa en la secuencia de perforación y voladura, la pendiente de los bancos es de 52º y se utilizan palas eléctricas para la carga del mineral. La geología de base está controlada por secuencias sedimentarias profundas de caliza y esquisto, con zonas de alternancia típicas del cuerpo Carlin [Kinross, 2024].

Figura 8.- Vista superior de la mina de oro Bald Mountain (Google 2024) (izquierda) y vista general del pozo superior (derecha)...
Figura 8.- Vista superior de la mina de oro Bald Mountain (Google 2024) (izquierda) y vista general del pozo superior (derecha).

3.2.- Descripción del emplazamiento y de la barrera

Para realizar los ensayos a escala real se instaló una barrera contra desprendimientos de rocas del tipo flycatcher a una cota de 2.164 m (fig. 9 izquierda). La barrera se compone de tres módulos funcionales o campos que utilizan una sola capa de malla G65/3 de alta resistencia a la tracción como membrana de interceptación, limitada por cuatro postes (fig. 9 derecha). Los postes pueden ensamblarse en tres partes como se muestra en la figura 10, la altura total de los mismos y por tanto de la barrera es de 15 m, por encima del nivel superior de cimentación. Los cimientos se fabrican utilizando neumáticos de volquetes mineros como encofrado permanente. La distancia entre ejes de los postes es de aproximadamente 15 m.

Figura 9.- Plataforma a 2.164 m de cota (izquierda) y vista general de un único módulo funcional (~ 232 m2)

Figura 9.- Plataforma a 2.164 m de cota (izquierda) y vista general de un único módulo funcional (~ 232 m2).

Figura 10.- Montaje del poste, detalle de las conexiones
Figura 10.- Montaje del poste, detalle de las conexiones.

La cota superior está a 2.278 m y la inferior a 2.164 m. Los bancos tienen una inclinación de unos 70º, y una altura de 24,4 m, con bermas de aproximadamente 9,50 m entre ellos. El diseño del perfil del banco sigue el criterio de Ritchie modificado, con un talud general de 52º. La longitud en planta del perfil estudiado es de unos 110 m (fig. 11).

Figura 11.- Vista superior y perfil de la barrera (izquierda) y del camino de desprendimiento de rocas (derecha)
Figura 11.- Vista superior y perfil de la barrera (izquierda) y del camino de desprendimiento de rocas (derecha).

3.3.- Simulación de desprendimiento de rocas

Resulta especialmente útil, antes de realizar ensayos sobre el terreno, efectuar algunas simulaciones numéricas basadas en las características topográficas del terreno y sus propiedades geomecánicas. Se generó un modelo 2D de desprendimiento de rocas utilizando el paquete de software RocFall2 de Rocscience [Rocscience, 2024] para imitar la trayectoria observada con el fin de compararla con los resultados de los ensayos. El perfil topográfico de la caída de rocas se generó a partir de la nube de puntos y se cargó en RocFall2, que se simplificó para reducir el número de nodos a lo largo del perfil con el fin de reducir el tiempo de procesamiento. También es necesario proporcionar como entrada las propiedades físicas estimadas del terreno donde se producirán los impactos, en este caso, y basándonos en la experiencia, se han utilizado coeficientes de 0,35 y 0,85 para los coeficientes de restitución normal y tangencial. A continuación, se define el punto desde el que se realiza el lanzamiento (cota 2.278 m), así como la forma y dimensiones del bloque de diseño. En este caso, se ha utilizado un bloque regular de 172,4 kg y densidad 2.400 kg/m3.

Con esta información preliminar se realizan algunas simulaciones, sin ninguna protección, para estimar la energía y la altura de rebote. Los impactos observados, normalmente tienen lugar en la plataforma inferior (2.164m) donde se espera que se coloque la barrera. La figura 12 a, b muestra simulaciones en las que se puede observar el bloque en dos momentos diferentes. El siguiente paso es situar la barrera y realizar el resto de la simulación de caída de rocas (fig. 12 c, d).

Figura 12...

Figura 12.- Simulación de caída de rocas en fase de vuelo (a, b) y paso intermedio y final de la simulación de caída de rocas, incluyendo una barrera en la plataforma inferior (c, d).

Como resultado, pueden representarse gráficos de energía cinética total (fig. 13), y altura de rebote (fig. 14) a lo largo del perfil. Obsérvese que el valor máximo de energía mostrado para el percentil del 68% es de aproximadamente 27 kJ, mientras que para el percentil del 95% sería de 47,7 kJ. En el caso de la altura de rebote, el valor máximo para el percentil del 95% es de 12,1 m.

Figura 13.- Energía cinética total a lo largo del perfil

Figura 13.- Energía cinética total a lo largo del perfil.

Figura 14.- Altura total de rebote a lo largo del perfil

Figura 14.- Altura total de rebote a lo largo del perfil.

Este es un ejemplo de las simulaciones que demuestra que la ubicación de la barrera es correcta, que los bloques llegan a la barrera, con energías cinéticas totales en torno a 50 kJ y que la altura de rebote no supera los 15 m supuestos por el diseño.

3.4. Medidas y verificación de los ensayos sobre el terreno

La tabla 3 describe detalladamente uno de los ensayos, el proceso de impacto y rebote sucesivos del bloque de 172,4 kg que se desprende de la berma superior a una cota de 2.278 m. Para el análisis, la trayectoria se divide en intervalos asociados al tiempo en que el bloque se desprende e impacta sucesivamente contra la superficie del suelo. Esta tabla define el tipo de movimiento característico de la sección (rebote o rodadura), detallando la distancia recorrida horizontal y verticalmente, así como el intervalo de tiempo en el que se produce dicho desplazamiento, consiguiendo de esta forma, evaluar la energía. Registros de medición proporcionados por [GCE, 2023].

Tabla 3.- Descripción de la trayectoria de la serie de ensayos
Tabla 3.- Descripción de la trayectoria de la serie de ensayos.

La figura 15 muestra la variación de la velocidad de traslación [m/s] y de la energía cinética [m/s], que caracterizan la caída de la roca por el talud de la mina. El gráfico describe cómo el bloque se mueve en cada intervalo de tiempo, durante su impacto con la superficie del suelo, recuperando energía una vez que continúa el movimiento, durante la siguiente fase de vuelo. El valor máximo de la velocidad de traslación en la fase de rebote es de unos 30 m/s con una energía cinética de 84 kJ en el tiempo 9,2 s. Obsérvese que los valores característicos en el nivel de impacto (2.164 m) son inferiores, debido a la reducción de la energía cinética durante cada contacto con el suelo (restitución normal y tangencial). La velocidad máxima en la barrera es de 20,8 m/s, mientras que la energía es de 37 kJ en el tiempo de 12 s. Durante las dos fases de rodadura, no se ha registrado ningún valor (zonas azules claras en la fig. 18).

Figura 15.- Valores máximos de velocidad de traslación y energía para la fase de rebote (vuelo)

Figura 15.- Valores máximos de velocidad de traslación y energía para la fase de rebote (vuelo).

Los resultados obtenidos sobre el terreno concuerdan en gran medida con los de la simulación informática (modelo calibrado), los valores estadísticos básicos de energía cinética total [kJ] y altura de rebote [m], necesarios para el dimensionamiento, se aproximan a las estimaciones. Probablemente, los valores de las velocidades [m/s] alcanzados en este ensayo no superan las expectativas relacionadas con el esperado efecto bala. La proporción de energía cinética debida a la velocidad angular [rad/s] estimada según el software (fig. 16) es baja en comparación con la velocidad total; sería muy útil en futuros ensayos poder medir la velocidad angular [rad/s] del bloque ensayado para responder a esta incertidumbre y determinar en particular los esfuerzos a cortante [kN] que se generan, cuando el bloque impacta la membrana.

Figura 16.- Valores máximos de velocidad de traslación y energía para la fase de rebote (vuelo)

Figura 16.- Valores máximos de velocidad de traslación y energía para la fase de rebote (vuelo).

4.- Viabilidad técnica de la solución

El modelo de barrera móvil-temporal flycatcher funcionó correctamente en el ensayo a escala natural. En general, es una solución eficaz para eventos de caída de rocas de bajo nivel energético (naturales o resultado de voladuras). El sistema de protección detuvo un bloque regular de hormigón de 0,45 m [EOTA, 2018] que impactó contra el sistema a media altura (6,5 m), en el módulo funcional central de la barrera. Además, el sistema retuvo los bloques de hormigón que rodaban por la base del talud, evitando que los bloques entraran en la pista de transporte (fig. 17). Los tamaños de los bloques incluidos en los ensayos fueron: 0,15 m; 0,30 m y 0,45 m de diámetro (regulares). Sistemas de características similares instalados en Sudamérica han estado en uso y han demostrado su eficacia en la contención de desprendimientos de rocas.

Figura 17.- Bloques detenidos de diferentes tamaños y formas

Figura 17.- Bloques detenidos de diferentes tamaños y formas.

5.- Preparación para el montaje y beneficio de la solución

También son de vital importancia los aspectos relacionados con el proceso de construcción de la barrera que deben tenerse en cuenta para garantizar su correcto funcionamiento. En la medida de lo posible antes de instalar en el banco / pista de transporte en la zona de instalación, se procederá con la cimentación, colocando neumáticos rellenos con hormigón, junto a las placas base y los postes, incluyendo poleas y cables laterales, para instalar la malla.

El proceso de instalación debe realizarse en dos pasos: colocar la base y el poste en su lugar (se debe utilizar una pala cargadora) y fijar y levantar los paneles de malla (se puede utilizar una carretilla elevadora o una grúa teniendo en cuenta el ancho de los paneles que se van a cargar).

Es muy importante garantizar el mínimo impacto en las operaciones, ya que éste siempre irá asociado a los costes de explotación. Para el transporte y movilización de los componentes es necesario disponer de máquinas adecuadas debido a que las bases de los postes (cimentaciones) son muy pesadas. La propuesta es utilizar para el empuje (tractor de cadenas) y grúa o góndola. Los principales beneficios de este tipo de soluciones en términos de seguridad y salud se resumen en la Tabla 4.

Tabla 4.- Ventajas de los flycatcher en relación con la reducción del riesgo
Tabla 4.- Ventajas de los flycatcher en relación con la reducción del riesgo.

Además de claras ventajas desde el punto de vista de la seguridad y la salud, esta nueva tecnología permite dar pasos importantes en términos económicos y de sostenibilidad. A continuación, se enumeran algunos aspectos que demuestran el comportamiento eficiente de esta solución, respecto a las tradiciones (Tabla 5).

Tabla 5.- Ventajas económicas y de sostenibilidad
Tabla 5.- Ventajas económicas y de sostenibilidad.

Además de la ubicación en Bald Mountain objeto de estudio en este trabajo, se han realizado algunos ensayos piloto e instalaciones en explotaciones mineras de otros países. En la figura 18 se muestran algunos ejemplos: las actuales en Nevada (EE UU), Rancagua (Chile) y Pan-American Silver Arena (Perú).

Figura 18.- Vista general en Bald Mountain en EE UU, ensayo en Chile y en Perú

Figura 18.- Vista general en Bald Mountain en EE UU, ensayo en Chile y en Perú.

6.- Conclusiones

El control de desprendimientos de rocas en la minería a cielo abierto es una de las medidas de seguridad más importantes y constituye un pilar para mantener el nivel de riesgo bajo control, garantizando la producción y la explotación.

Durante años se han proyectado diversos tipos de medidas de protección, desde terraplenes, pasando por barreras estandarizadas, hasta barreras móviles como las aquí estudiadas, instaladas sin seguir ninguna directriz técnica de dimensionamiento.

El análisis del comportamiento de los bloques de diseño previstos (pequeñas dimensiones de bloque de ensayo) en términos de velocidad traslacional y angular proporciona objetividad y seguridad en el diseño. El control del efecto bala mediante membranas flexibles de acero de alta resistencia a la tracción constituye la principal aportación en términos materiales.

Es muy importante señalar que durante los ensayos de campo no se causó ningún daño al sistema de flycatchers, debido al uso de alambre de acero de alta resistencia a la tracción. Si se hubiera utilizado acero dulce en la membrana, seguramente se habría producido el efecto bala tal y como se demostró en los ensayos (Tabla 2).

La comparación entre la simulación matemática y el ensayo a escala real demuestra que el modelo es coherente. Por lo tanto, el uso de este tipo de soluciones contra impactos de baja energía (menos de 100 kJ) a alta velocidad es seguro y sensato.

Sería interesante realizar algunos ensayos adicionales para investigar la influencia de la velocidad angular durante el impacto. Los aspectos relacionados con el método de instalación, así como las ventajas técnico-económicas de este flycatchers, deberían contribuir a su correcta utilización.

El flycatcher contribuye a aumentar la seguridad general de la operación minera y a prolongar la vida útil de la maquinaria.

Agradecimientos

Los autores desean agradecer a los especialistas y entidades por su colaboración en la realización de las pruebas a escala real; de Kinross Bald Mountain de manera muy especial a Tye Lasich, Ingeniero Geotécnico y de Voladuras, así como a los miembros de los Departamentos de Operaciones y Proyectos y Salud y Seguridad; de NIOSH Spokane Mining Research Division, especialmente a Sean Warren Investigador Principal Highwall Safety Project y Josef Bourgeois; de la empresa Desnivel Perú de manera especial a los ingenieros Carlos González y Álvaro Guillén y al personal de la empresa Access Limited Construction.

Referencias

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  • EOTA (2008) Guideline for European Technical approval of falling rock protection kits. ETAG 27. Bruselas.
  • EOTA (2018) EAD-340059-00-0106. Kits de protección contra la caída de rocas. Bruselas.
  • GCE (2023) Rockfall Catchment Design and Slope Performance Monitoring at Surface Mines and Quarries. Instituto Nacional de Seguridad y Salud en el Trabajo (NIOSH),
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  • Gerber, W. (2006) Directriz para la homologación de kits de protección contra desprendimientos de rocas. Enmienda 2006. Agencia Suiza para el Medio Ambiente. Bosques y Paisaje (SAEFL) y WSL. Berna.
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  • Kinross (2024) https://www.kinross.com/operations/americas/Explore-Bald-Mountain-USA/
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