Fundamentos Esenciales en la Ingeniería de Minas a Cielo Abierto

Ventajas de la Explotación a Cielo Abierto

La minería a cielo abierto presenta diversas ventajas operacionales y de seguridad:

• Visibilidad total del frente de trabajo.
• Mayor seguridad gracias a taludes controlados.
• Mejor ventilación natural.
• Potencial ahorro de energía durante las horas diurnas.
• Menor requerimiento de personal y equipos en comparación con la minería subterránea (donde se usan equipos más pequeños).
• Mayor productividad general.
• Las minas nuevas suelen ser más operables.

Nota: Las minas muy antiguas pueden incurrir en mayores costos debido a roca más competente, mineralización primaria o mayores distancias de acarreo.

Clasificación de Materiales: Recursos vs. Reservas

Recursos Minerales

Los recursos son concentraciones minerales identificadas y estimadas mediante exploraciones, reconocimientos y muestreos. Se clasifican según su certidumbre:

• Medidos.
• Indicados.
• Inferidos.

Poseen un potencial económico inherente.

Reservas Minerales

Las reservas representan la fracción de los recursos medidos e indicados que es económicamente extraíble bajo un escenario productivo, tecnológico y de sustentabilidad específico, enmarcado en un plan minero.

Reserva Probada: Material que está explícitamente incluido dentro del plan minero y del diseño del pit final.

Marco Regulatorio Internacional

CRIRSCO (Committee for Mineral Reserves International Reporting Standards): Agrupa a organismos de Australia, Canadá, Sudáfrica, EE. UU., Europa y Rusia. Establece una normativa internacional común para informar y reportar prospectos de exploración, recursos y reservas mineras.

Factores para la Elección del Método de Explotación a Rajo Abierto

La selección del método se basa en una evaluación integral de las características del yacimiento y el entorno:

1. Ubicación y Topografía superficial.
2. Forma y Tamaño del cuerpo mineral.
3. Profundidad del cuerpo mineral.
4. Tipo y Calidad de la mineralización (incluida la distribución de ley para selectividad).
5. Características del macizo rocoso (Geomecánica).
6. Calidad de la información de reservas.
7. Inversiones asociadas.

Modelamiento Geológico y Geoestadístico

Ley de Corte Crítica

Define el límite entre lo que se considera mineral y lo que es estéril.

Exploración y Sondajes (Perforación Infill)

La campaña de sondaje se define a partir de estudios geofísicos y geológicos previos. Con estos datos y la interpretación geológica, se generan Modelos Geoestadísticos.

Los pozos de tronadura se utilizan para actualizar estos modelos. El Modelo de Bloque representa los recursos minerales del yacimiento, donde cada bloque se caracteriza por:

• Leyes de mineral.
• Características geomecánicas.
• Costos de extracción y procesamiento.

Con la información definida en los términos de referencia, cada bloque se valoriza individualmente.

Modelo de Costos

Es fundamental crear un modelo que represente la extracción y el proceso del bloque, incluyendo:

• Costos Mina.
• Costos Planta.
• Costos de Fundición y Refinación.
• Costos Generales.
• Otros costos asociados a la extracción del bloque.

Parámetros Clave de Diseño

Entre los principales parámetros de diseño se incluyen:

• Ángulos de Talud: Típicamente entre 45° y 55°. Ángulos mayores se reservan para bancos dobles o triples.
• Recuperación metalúrgica.
• Subproductos.
• TPH en planta (dependiendo de la dureza de la roca).

Procesos Productivos en Minería a Rajo Abierto

Operaciones Unitarias Principales

Los procesos productivos directos incluyen:

• Perforación.
• Tronadura (Voladura).
• Carguío y Transporte.
• Sistemas de manejo de materiales.
• Servicios de apoyo.

Procesos Complementarios

Otros procesos esenciales que participan en la cadena de valor son:

• Exploraciones (paralelas a la operación).
• Proceso físico-químico del mineral (Conminución, flotación, fundición, aglomeración, lixiviación, electroobtención, etc.).
• Venta del producto (transporte, seguros, impuestos, etc.).

Procesos de Soporte

Estos procesos son cruciales para la continuidad operativa:

• Geología.
• Mantención de equipos, maquinarias e instalaciones.
• Depreciación de equipos.
• Suministro de energía e insumos.
• Recursos humanos y administración.
• Seguridad, higiene y prevención de riesgos.
• Medio ambiente.
• Contabilidad y finanzas.
• Control de calidad.

Detalle de Conceptos Económicos y Operacionales

Ley de Corte Crítica o Marginalista

Es la ley mínima a partir de la cual el envío del material a planta de tratamiento resulta en un beneficio económico nulo; es decir, los ingresos por la venta del producto son iguales a los costos totales de extracción y procesamiento.

Relación Estéril-Mineral (R E/M)

Es una medida adimensional que debe incorporarse en la valoración del pit. Dependiendo de los parámetros económicos, la R E/M permitirá extraer más o menos estéril.

Categorías de Costos

Los costos se pueden segmentar en tres categorías principales:

Categoría I (Costos Directos Mina): Costo de perforación, tronadura, carguío, transporte, servicios y administración, depreciación de equipos.

Categoría II: Costo de tratamiento del mineral, costo de gerencia general.

Categoría III: Costo de transporte final, puerto, créditos, seguros, tratamiento por fusión o refino, etc.

Secuencia de Explotación y Fases

La secuencia de explotación o estrategia de consumo de reservas define cómo se extraen los materiales desde el rajo, desde el inicio hasta el pit final. La extracción se realiza en sucesivos rajos intermedios denominados Fases o Expansiones.

Ventajas de la Extracción en Fases

• Reduce el volumen de pre-stripping (desbroce inicial) durante la vida del proyecto.
• Permite flexibilidad en el diseño del pit final.
• Los equipos trabajan a su máxima capacidad.
• Permite retiros programados hacia el término de la mina.
• El área de operación no se vuelve excesivamente grande.

Precedencias: Es el orden en que se extraerán las porciones del rajo.

Cada fase debe ser representativa de un periodo de la vida de la mina, buscando mantener:

• Misma ley de alimentación.
• Misma R E/M.
• Misma capacidad de planta.

Se busca que las fases tengan tamaños y volúmenes relativamente similares, coincidiendo con expansiones de la mina o la planta.

Minería No Metálica: Ejemplo del Caliche

En minería no metálica, como en el caso de depósitos aluviales, se puede encontrar el Caliche: un manto económico que provee la materia prima. Se presenta como brecha o conglomerado cementado por sales (predominan Cloruros, Sulfatos y Nitratos). Se consideran estratos económicos aquellos con ley superior al 7%, con espesores variables entre 1 y 3 metros, pudiendo alcanzar 5 metros, y colores que varían del blanco a grises.

Benchmarking en Operaciones

El Benchmarking implica:

• Recopilar información relevante de cada faena: producción, costos, ley, etc.
• Puede ser externo (comparación con otras faenas) o interno (con divisiones propias).
• La estrategia competitiva de una empresa suele ser mantener sus costos bajo el precio del cobre (o metal principal).

Costos Relativos de las Operaciones Unitarias

Se debe notar que la perforación no pertenece estrictamente a la producción, sino a la fase de extracción:

Nota: El chancado pertenece a la planta. El costo total de extracción puede oscilar entre 1.0 y 2.0 US$/ton extraída.

Equipos y Parámetros de Perforación

La Perforadora

1. Su función es crear agujeros para la carga de explosivos y la posterior tronadura de la roca.
2. Se diseñan mallas de pozos para distribuir el explosivo eficientemente.
3. Existen dos tipos principales: montadas sobre orugas (mayor costo inicial, vida útil de 15-17 años) y montadas sobre neumáticos (menor costo inicial, vida útil de 5-7 años). La diferencia clave es la velocidad de desplazamiento.

Comparativa de Perforadoras:

• Neumáticos: Velocidad de desplazamiento de 30-40 km/h (autonomía).
• Orugas: Velocidad de desplazamiento de 3-5 km/h (usualmente eléctricas). Para su traslado, se requiere desconectar y usar un bulldozer para remolcar, bajando la torre en pendientes.

Datos Operacionales:

• Diámetro de perforación típico: 7 a 14 pulgadas.
• Velocidad de perforación (Oruga): 40-70 m/h.
• Velocidad de perforación (Neumáticos): 25-45 m/h.

Parámetros Operacionales:

Principios de Perforación por Rotación

Se aplica energía a la roca mediante la rotación de una herramienta (trépano) combinada con una gran fuerza de empuje.

Variantes:

• Rotación con trépano cortante (roca blanda, perforación petrolera).
• Rotación con trépano triturante (rocas medianas a duras, diámetro mínimo 150 mm).
• Rotación con herramienta abrasiva (exclusivamente para sondajes).

Variables de Operación en Perforación

• RPM (Velocidad de Rotación): Definida por el motor o cabezal.
• Pulldown (Fuerza de Empuje): Definida por el empuje y el peso.
• Flujo de Aire: Esencial para la remoción del detrito. Mucho aire desgasta las barras; poco aire impide la salida del detrito. Para perforar 15m + 2m de pasadura, se requiere una torre de 20-22 m.

Single Pass: Perforadoras de torre muy alta que permiten hacer la perforación en una sola pasada.

Selección del Equipo de Perforación

La selección depende de:

• Tipo de material y requerimientos de producción.
• Tamaño de los equipos de carguío, transporte y planta.
• Altura de banco y requerimientos de tronadura.
• Restricciones ambientales y Costo/Inversión.

Consideraciones Adicionales:

• Las capacidades (pulldown, torque) deben exceder los requerimientos de penetración.
• Máquinas más grandes son más robustas para formaciones duras.
• Máquinas eléctricas ofrecen menor costo operacional y mayor vida útil, pero requieren infraestructura de energía in pit.

Niveles de Movilidad:

1. Eléctricas: Baja velocidad.
2. Diésel: Velocidad media.
3. Sobre Ruedas: Velocidad más alta.

Diseño de Bancos y Seguridad Geomecánica

Geometría del Banco

La altura y el ángulo del banco son críticos para la estabilidad:

• Altura de Banco: Depende de los equipos de carguío y perforación, características del macizo rocoso y regula la dilución en la extracción.
• Ángulo Talud del Banco: Depende del tipo de material, estructuras menores, altura de banco y calidad de la tronadura. Un buen ángulo fluctúa entre 75° y 80° (rango de 65° a 90°).

Componentes del Banco

• Quebradura: Es función de la altura del banco y el ángulo de talud.
• Berma de Banco: Su ancho está determinado por el volumen de derrames asociados a inestabilidades. Ayudan geomecánicamente descargando tensiones y pueden servir como plataforma de acceso.
• Ancho Mínimo de Operación: Ancho necesario para que los equipos de carguío y transporte operen adecuadamente en el fondo del pit. Bermas adecuadas mejoran el rendimiento.

Comparativa de Altura de Banco

Bancos Bajos:

• Mayor seguridad para personal y equipos.
• Mejor control de desviaciones en perforación y fragmentación.
• Mejor selectividad y menor dilución.

Bancos Altos:

• Mayor rendimiento de carguío y perforación (menos tiempos muertos).
• Menor número de bancos, concentrando la eficiencia de la maquinaria.
• Infraestructura de accesos más económica.

Infraestructura de Drenaje y Seguridad

• Zanjas: Canalizan aguas de drenaje (ancho 1 m, profundidad 50 cm).
• Cunetas: Contienen vehículos en emergencia. La altura de la cubeta hacia el rajo debe ser la mitad del diámetro de las ruedas de los equipos.
• Distancia de Seguridad: Debe ser mayor a la distancia de percepción visual del conductor, debido a la altura de los equipos.
• Bermas de Seguridad o Contención: Diseñadas en función de la probabilidad de siniestros geomecánicos (ej. volcamiento de roca).

Diseño de Caminos y Rampas

Ventajas de una Rampa Continua (Ej. Etapa 4)

• Mayores velocidades y productividades.
• Menor consumo de combustible y mayor vida útil de neumáticos.
• Menores costos de reparación y mantenimiento.
• Mayor eficiencia de operadores y mejores condiciones de seguridad.

Resistencias en el Transporte

Resistencia por Pendiente: Esfuerzo para superar la gravedad. Corresponde al 1% del peso movilizado por cada 1% de pendiente (ej. 5% de pendiente = 5% de resistencia).

Resistencia a Rodar: Esfuerzo para superar la fricción entre neumáticos y vía (ej. 2% para camino de tierra/grava bien mantenido).

Camiones Asistidos por Trole

Beneficios:

• Reducción significativa del consumo de petróleo (hasta 50% en rampas largas).
• Incremento de la productividad por ciclo (hasta 10%).
• Aumento de la vida útil del motor diésel.

Costos Adicionales:

• Costos de energía eléctrica vs. diésel.
• Equipamiento adicional en el borde de camino y en el camión.
• Menor flexibilidad en el plan minero.

Tiempos Operacionales

• Tiempo Nominal: Duración total del periodo (ej. 8 o 12 horas de turno).
• Tiempo Disponible: Tiempo nominal menos el tiempo de mantenimiento y reparaciones.
• Tiempo Operativo: Tiempo en que el equipo está entregado al operador. Se divide en:
  • Tiempo Efectivo: Desarrollando la labor programada sin inconvenientes.
  • Tiempo de Pérdidas Operacionales: Realizando labores secundarias (traslados, esperas).
• Tiempo de Reserva: Equipo disponible pero no utilizado por falta de operador o programación.

Diseño de Fases y Optimización del Pit

Restricciones para Construcción de Accesos (Rampas)

• Acceso libre, seguro y oportuno a la zona de trabajo.
• Cumplimiento de restricciones geométricas de equipos.
• Cumplimiento de restricciones geomecánicas del sector.
• Permitir la extracción total del material del sector.
• Permitir actividades paralelas seguras.

Cálculo de la Pendiente Media del Rajo

Se considera:

• Ancho de diseño de rampas (considerando equipos, pretil y drenaje).
• Número de cruces esperados de la rampa en esa sección.
• Altura de la pared desde la base hasta el borde.
• Ángulo interrampa proporcionado por geotecnia.

Problemas de Optimización en Minería de Rajo Abierto

Primer Problema (Diseño del Pit Final): Determinar la forma del pit para maximizar el valor económico del proyecto, decidiendo si un bloque se extrae o permanece, basado en la ley de corte crítica y las restricciones de precedencia de talud.

Segundo Problema (Agendamiento/Planificación): Determinar, para los bloques dentro del pit final:

1. Si se extrae o no, basado en flujos de caja y restricciones operacionales de las fases.
2. A dónde enviarlo (planta, acopio marginal o botadero), considerando la ley de corte marginal y contaminantes.
3. Cuándo extraerlo, considerando capacidades de mina, planta, stocks, botaderos y precedencias de talud/rampa.

Optimización del Desempeño de Rampas

El desempeño óptimo requiere un enfoque integrado que considere diseños:

Geométrico: Disposición y alineación en planos horizontal y vertical.

Estructural: Capacidad de soportar exigencias sin mantenimiento excesivo.

Funcional: Selección de revestimientos para conducción segura.

De Gestión de Mantenimiento: Enfoque rentable para mantener la funcionalidad.

Decisiones Clave en el Diseño de Rampas:

1. Punto de salida a superficie (depende de chancado y botadero).
2. Necesidad de más de un acceso (flexibilidad vs. costo operativo).
3. Número de vías (una vía extra acelera el tráfico, pero aumenta el costo).
4. Pendiente de la rampa: Una pendiente del 8% es preferible para dar libertad constructiva, siempre que no fuerce una extracción excesiva o complique el layout.

Gestión de Botaderos (Depósitos de Estéril)

Consideraciones Económicas y Geotécnicas

La distancia entre el punto de carga y el botadero debe ser mínima por razones económicas. El lugar de descarga debe ser geológica y geomecánicamente apto para evitar siniestros por la gran cantidad de material depositado.

Disposición de Botaderos:

• Comúnmente se usan laderas circundantes por simplicidad de descarga y estabilidad.
• Si no hay laderas, se construyen pilas o tortas de acopio, requiriendo accesos permanentes sobre ellas.

Estabilidad y Mantenimiento de Botaderos

Los colapsos en botaderos de material suelto son menos predecibles que en roca compacta. Un indicio de inestabilidad puede ser un levantamiento superficial del talud.

Mantenimiento: Es crucial atacar la compactación, generalmente con Bulldozers.

Densidades: El material llega con una densidad de 1.92 ton/m³ (vs. 2.7 ton/m³ in situ). Una buena compactación debe apuntar a 2.0 a 2.1 ton/m³.

Costo de una Tonelada de Estéril

El valor involucra:

• Costo de extracción (incluyendo distancias de transporte).
• Costo de manejo adicional (si aplica, ej. acopios).
• Costo de mantención de depósitos (servicios mina).
• Costo asociado a restauración (imprevistos).

Leyes de Corte y Estrategia de Envío

Ley de Corte Crítica y Marginal

La ley de corte crítica permite generar una curva de tonelaje-ley para evaluar la sensibilidad del yacimiento. Dentro del pit final, existe estéril cuya extracción es pagada por el mineral. Si este material puede pagar sus costos de manejo y procesamiento, se envía a planta o acopio marginal en lugar de botadero. Esta es la función de la ley de corte marginal.

Ley de Corte Óptima

Busca maximizar el Valor Presente de los Flujos de Caja de la operación completa (Mina, Planta y Refinería), lo que resulta en la determinación de tres leyes de corte económicas (una por etapa) y tres leyes de equilibrio (por par de etapas). La ley de corte óptima es aquella que maximiza el VPN.

Equipos de Carguío y Transporte

Palas y Cargadores Frontales

• Existen palas de cables (eléctricas, sobre orugas, vida útil ~17 años) y palas hidráulicas (diésel, sobre orugas).
• Cargadores frontales son generalmente diésel y sobre neumáticos.
• Las palas grandes se usan para estériles; equipos más pequeños son preferidos para mineral por su selectividad granulométrica y zonal.

Camiones

• Una pala trabaja típicamente con 5 a 6 camiones.
• Consumo de petróleo: 120 lt/hora (tanques de 3,000 litros). Precio: 2.8 millones de US$. Vida útil: 7 años. Neumáticos: 40,000 US$.
• Nota: En camiones, los costos de mantención suelen ser mayores que los costos de operación.

La diferencia entre usar 1 camión grande o 6 chicos radica en la disponibilidad de operadores (4/día para camión grande vs. 24/día para camión chico).

Equipos Auxiliares

• Bulldozer: Uso en caminos, reparación de canchas de pala, limpieza de zonas y botaderos. Se usa el rompe-caminos para evitar tránsito en vías en uso.
• Wheeldozer: Limpieza de caminos, retirando piedras. Se requiere 1 Wheeldozer por cada 2 palas si estas son pequeñas, o 1 por pala si son grandes (50-60 yd³).
• Camión Aljibe: Riesgo asociado al golpe de ariete.

Tronadura y Fragmentación

Concepto Mine to Mill: Implica concebir la perforación y voladura como parte integral de la cadena, con gran incidencia en los costos totales de extracción y tratamiento.

Parámetros de Evaluación de una Tronadura

• Granulometría resultante.
• Daños a la roca circundante.
• Tiros quedados (no detonados).
• Forma de la pila de roca.

Precorte

Se utiliza para proteger las paredes, especialmente en el pit final. Es costoso debido a la alta densidad de perforación (típico diámetro 3 pulgadas, espaciamiento 2 a 3 m).

Factores a Controlar en la Tronadura

• Airblast: Ruido y vibración que puede romper ventanas o afectar personas.
• Vibraciones sísmicas.
• Flyrock (proyección de roca).
• Fumes (gases tóxicos).
• Dust (polvo).

Secuencia de Tronadura

La secuencia de perforación (paralela a la cara del banco) no siempre es igual a la secuencia de tronadura.

Chevron: Usado en caras largas. Busca concentrar la pila de rocas en una posición central, permitiendo fragmentación adicional por impactos entre filas.

• Chevron cerrado.
• Chevron abierto: Distribuye la roca más uniformemente, facilita el carguío, minimiza problemas en el pie de banco y permite mejor visibilidad para la conexión de tiros.

Iniciación – Factores a Considerar

• Tipo de fragmentación requerida.
• Retardos en superficie o en los tiros.
• Dirección de la tronadura.
• Forma de la pila requerida por el equipo de carguío.
• Restricciones medioambientales.