Diseo de Minas SubterrneasDr. Vctor Javier Mendiola Ochante

IntroduccinEl curso de Diseo de Minas Subterrneas pretende que el alumno se familiarizarse con los siguientes conceptos:Arquitectura de una mina subterrnea: Accesos, infraestructura principal de produccinDiseo en planta y perfiles de los mtodos de explotacin subterrneosDiseo y clculo de pilares, losas y murosEstimacin de Dilucin, Recuperacin minera, selectividadEstimacin de valor econmicoRealizar un programa de produccin de una mina subterrnea

MotivacinMinera se refiere a fragmentar, seleccionar y transportarEl mtodo de explotacin es la arquitectura que permite realizar lo anterior de una manera tecnolgicamente eficiente y econmicamente viableEl programa de produccin se refiere a como el diseo se despliega en el tiempo y como las metas de produccin son alcanzadas con la herramientas de diseo, gestin, etcPlan to mine and mine as planned

Diseo Minero SubterrneoEs el proceso de ingeniera de minas que soporta el clculo de los siguientes itemes asociados a una arquitectura dada:Recuperacin MineraDilucinSeguridadCostoBeneficio econmicoConfiabilidad de las estimaciones de produccin

Definicin de MineralMineral es todo aquel porcin de un yacimiento minero que paga sus costos de produccin y el costo de oportunidadDefinicin econmicaSi embargo se debe disear con una envolvente econmica que pudiese contener material estril en su interiorCuerpo Mineralizado o MenaRoca de Caja

ValorizacinSe puede utilizar un modelo simple del tipo v=T, tonelaje del bloque (t)R, recuperacin del bloque (metalrgia+Minera)P, precio del producto ($/lb)L, ley (concentracin del producto) (%) Cf= costo de refinacin ($/lb)C, Costo de produccin (Mina +Procesamiento) ($/t) v(T,R,P,L,C)v=(P-Cf)*L*R*T-T*Cv=(2-0.25)*1/100*0.8*2700*2204.7-2700*18v=12.9 ($/t)T= 2700 tR= 80%P= 2 ($/lb)L= 1%CuCf=0.25 ($/lb)C= 18 ($/t)

Ley de Corte Costo de oportunidad ($/t)

Caractersticas de los mtodos de explotacinInversin en la mina vara entre 1-3.5 $/t para la envolvente econmica y en la planta es del orden de 10.000 $/tpd

Proyectos ActualesLctpdLcNPV

Prxima Generacin de Sistemas MinerosLc

Minera a Cielo AbiertoGeneralmente aplicado a yacimientos de baja ley y superficialesRitmo de produccin >20,000 tpdModeradamente selectivo ya que posee la facilidad de vaciar el estril en botaderosDesafos en el diseoManejo de la razn estril/mineral y su evolucin en el tiempoUbicacin de las rampas de acceso y produccinDiseo de las flotas de equipos Estabilidad de las paredes del rajo

Minera SubterrneaUtilizado para yacimientos de mediana y alta leyRitmos de produccin 500-50000 tpdMs selectivo que el mtodo de cielo abierto excepto por los mtodos por hundimientoProblemas de diseo:Geometra de la mina subterrneaEstabilidad y soporteUbicacin de los accesosLogstica para el transporte y movimiento de mineral subterrneo

Componentes de una Mina SubterrneaAcceso horizontal (adit, Drift)Excavacin horizontal de acceso a la minaPiques (shafts) Excavacin vertical de acceso a la minaChimenea (Ore passes) Excavaciones sub-verticales dedicadas al traspaso de mineral, personas y en algunas ocasiones utilizadas como cara libreRampas (Declines or ramps)Son excavaciones horizontales orientadas en espiral con el propsito de conectar dos niveles o acceder a la minaCaserones (Stopes) Corresponden a unidades bsicas de explotacin de las cuales se extrae mineral. En algunos casos estos caserones son rellenados con material estril.

Esquema de una Mina SubterrneaABABA, Breas ProductivasRampaAccesosNivelesSeccin TransversalSeccin Longitudinal

Esquema de una Mina SubterrneaAccesosreas ProductivasNivelesUnidades bsicas de explotacinPuntos o frentes de extraccin

A1A2A3A4PlantaPuntos de extraccinA1, A2A3, A4Acceso NivelPilarUnidades bsicas de explotacin

Definicin de MineralMineral es todo aquel porcin de un yacimiento minero que paga sus costos de produccin y el costo de oportunidadDefinicin econmicaSi embargo se debe disear con una envolvente econmica que pudiese contener material estril en su interiorCuerpo Mineralizado o MenaRoca de Caja

GeometraTabularesIrregularesMasivos

Macizo RocosoRMR de la roca mineral y de cajaEs MUY relevante la distribucin de la calidad de macizo rocoso en la roca de caja y mineralDisear para los valores extremos y tambin los promediosPared Colgante (HW)Pared Pendiente (FW)2B2B2A4B4A3B

ContinuidadPerfil TransversalPerfil Longitudinal

Grficos de estabilidadJakubec and Laubscher(2000),Massmin

Minera SubterrneaEs slo una excavacin bajo la superficieExisten slo 3 mtodos de explotacin Soportados por pilares (recuperacin minera reducida)Artificialmente soportados o relleno (alto costo)Sin soporte o hundimiento: natural e inducido (alta incertidumbre)

Mtodos de Explotacin SubterrneosSoportadoPor PilaresArtificialmente Soportado con RellenoSin soporte o HundimientoRoom and PilarSublevel and Longhole stopingBench and FillstopingCut and Fill StopingShrinkage StopingVCRStopingLonwallMiningSublevelCavingBlockCavingDesplazamiento de la roca de cajaEnerga de deformacin almacenada en las proximidades de una excavacin

Room and PilarCuerpos mineralizados mantiformes y de baja potenciaLa calidad de la roca de caja y mineral deben ser competentes (2B)Se dejan pilares para mantener el techo y las paredes establesSe deben disear los pilares y los caserones para maximizar la recuperacin de mineralCuerpos mineralizados con potencias mayores a 10m y menores a 30 m se explotan por sub-niveles desde el techo al piso.Baja dilucin menor a 5%Recuperacin baja menor a 75%Costo de produccin 10-20$-t

Post Room and Pilar MiningVariacin del mtodo de Room and PilarCuerpos con potencias mayores a 30m e inclinados (menor a 20 grados)Comienza en la parte inferior del cuerpo mineralizado y se extiende en la vertical por sub-nivelesUna vez realizada la perforacin, tronadura, carguo y transporte del mineral se procede a rellenar el casern tpicamente con colas de relaves mezcladas con cemento.El relleno aumenta el confinamiento permitiendo disear con un menor factor de seguridad y por lo tanto maximizando la recuperacin

Longhole and Sublevel Open StopingLonghole Open StopingSublevel Open Stoping

Longhole and Sublevel Open StopingEl cuerpo mineralizado es dividido en diferentes caserones separados por losas y murosLa productividad del casern es proporcional a su tamaoLa estabilidad y dilucin de un casern es inversamente proporcional a su tamaoSe utiliza open stoping en las siguientes condiciones:La inclinacin del cuerpo mineralizado excede el ngulo de reposo del mineralRoca de caja y mineral competente (2B)Cuerpo mineralizado de paredes regularesEl mtodo de longhole open stoping posee una mayor productividad pudiendo lograrse subniveles de perforacin en el intervalo 60-100m con martillos ITH de 140 -165mm de dimetroLonghole open stoping requiere una mayor regularidad que el sub level stopingActualmente se prefiere operar con el equipo de carguo en la zanja de produccin las estocadas de carguo y puntos de extraccin. Esta variante se debe operar con equipo telecomandadoBaja dilucin, menor a 8%Baja recuperacin menor a 75%Costo 12-25 $/tEn algunos casos se deben rellenar los caserones luego de extrado el mineral

Vertical Crater Retreat con Relleno VCRVCR Casern Primario VCR Casern Secundario

Vertical Crater Retreat VCR con RellenoSe utiliza en cuerpos mineralizados de baja a mediana potencia y en rocas de mediana competencia (3B)Se utiliza la tcnica de cargas controladas en que el largo de la carga explosiva es menor a 6 veces el dimetro de perforacin. Carga esfricaEste sistema de explotacin requiere la construccin de estocadas y puntos de extraccinLa secuencia de construccin es la siguienteNivel de transporteArreglo de galerias de produccinCorte basalNivel de perforacinPerforacin de tiros largos menor a 40 m en caso VCRLos disparos generan cortes de hasta 3mCosto 15-45 $/t dependiendo si se rellena o noDilucin 10%Recuperacin menor a 80%

Bench and Fill StopingAlternativo a VCRUtilizado en cuerpos de menor competencia mayor continuidad en la corridaAvoca

Shrincage StopingVetas angostas (potencia menor a 10m)La roca de caja es de baja competencia (4B) y la mineral de mediana a alta (3B)Se remueve solamente el esponjamiento(40% del volumen) de la roca tronada el resto se mantiene almacenado para mantener las paredes estables y proveer de piso al sistema de perforacinInfraestructura de produccin es requerida.Productividad menor a 4500 tpdAlta dilucin 30%Mediana recuperacin 85%Costoso y riesgoso

Cut and Fill MiningCuerpos mineralizados con orientacin vertical y potencias de 3 a 10 mLa roca de caja es generalmente de baja competencia (4A) y la roca mineral de baja a media (3B).Se realiza por subniveles de manera ascendenteLos caserones en explotacin se pueden separar por muros y losas de modo de aumentar la estabilidad del sistema mineroRellenos: hidrulicos colas de relave, material estril, ambos ms cemento, etc.Mtodo altamente selectivo, por lo tanto permite explotar cuerpos de baja regularidad y continuidad espacialBaja dilucin menor a 2%Alta recuperacin mayor a 90%Alto costo de produccin 40-150 $/tBaja productividad 200 a 4500 tpd

Overhand Cut and FillOverhand cut and fill se realiza con perforacin horizontal por sobre el material de rellenoUnderhand cut and fill: El mineral se encuentra por debajo de la zona rellena. Tpicamente se utiliza relleno de cementoEste mtodo comienza en el techo del deposito y trabaja descendentemente hasta el nivel de transporteSe utiliza en cuerpos con baja continuidad espacial y especialmente en cuerpos constituidos de roca mineral y de caja frgil (4B-5A)La dilucin es baja menor al 2%La recuperacin es alta mayor a 90%El costo es alto 60-180 $/tSe utiliza en yacimiento de alta ley

Sublevel CavingSe utiliza en cuerpos mineralizados con orientacin vertical y alta potencia mayor a 40mLa roca de caja es de baja competencia y la roca mineral competente a medianaSe explota por subniveles donde se realizan en ciclo las operaciones unitarias de perforacin, tronadura, carguo y transporteConsiste en hundir la roca de caja y la pared colgante de esta manera el mineral queda en contacto con el estril facilitando el acceso de LHDs a travs de las galeras de produccinProductividad 4000 a 20000 tpdCosto 7-12 $/tDilucin es alta hasta un 15%Recuperacin 75%

Block Caving/Panel CavingCuerpos masivos con una proyeccin en planta suficiente para inducir el hundimiento de la rocaLa roca mineralizada a hundir debe ser medianamente competente 3A-4ALa roca estril de techo debe ser hundibleLa roca de caja puede ser competente como en el caso de pipas diamantiferasSe induce el hundimiento de la roca a travs del corte basal 4-12 m. El hundimiento se propaga en la medida que la roca es extrada del hundimiento utilizando la infraestructura de produccinProductividad 12000 a 48000 tpdDilucin 20%Recuperacin 75%Costo 2.1-5$/t

Parmetros Utilizados en el Diseo de Minas SubterrneasGEOLOGIAGeometraMacizo rocosoEstructuras de debilidadContinuidadEstabilidad: Hundibilidad/ EstabilidadDistribucin de la leyCostosDilucin planeada y no planeadaRestricciones externas e internasRitmo deseado

Aspectos a cuidar en la seleccin del mtodoDefinir el retorno sobre la inversin como una metaSeleccionar block caving para alcanzar el retorno sobre la inversinCostoBlock caving =A/tSublevel caving = 2 A/tSublevel stoping =3 A/tForzar los parmetros de diseo y condiciones de roca para alcanzar un mtodo determinadoSe disea un mtodo de explotacin de modo de aprovechar una planta existente que posee una determinada capacidad. Ojo Transicin rajo subterrnea

Mtodos de Explotacin SubterrneosSoportadoPor PilaresArtificialmente Soportado con RellenoSin soporte o HundimientoRoom and PilarSublevel and Longhole stopingBench and FillstopingCut and Fill StopingShrinkage StopingVCRStopingLonwallMiningSublevelCavingBlockCavingDesplazamiento de la roca de cajaEnerga de deformacin almacenada en las proximidades de una excavacin

Mtodo de Nicolas (1981)GeometraGeometra del depositoUniformeTabular/MantiformeIrregularPotenciaAngostoIntermedioAnchoMuy ancho/potenteInclinacinProfundidadDistribucin de leyesUniformeGradacionalerrtico

Mtodo de Nicolas (1981)Resistencia de Macizo RocosoUCS/svDbilModeradoResistenteEspaciamiento de fracturasResistencia de fracturas al corteDbilModeradoResistenciaAhora ir a las tablas para ranquear las caractersticas del yacimientoDefinir el ranking total

Definiciones de ExcavacionesDesarrollo minero es toda aquel excavacin que se realiza en estril y tiene la finalidad de poder acceder un cuerpo mineralizadoPreparacin minera es toda aquella excavacin que se realiza al interior del cuerpo mineralizado y tiene la funcin de poder facilitar el arranque, seleccin y el transporte primario del mineralLos desarrollos son excavaciones que se consideran inversin por lo tanto se pueden depreciarLas preparaciones son parte del costo de operacin de la minadesarrolloPreparacin

Envolvente EconmicaEs aquel material que econmicamente conduce al mejor negocio productivo del recurso

La envolvente econmica define lo que es mineral

Medicin de la DilucinLa Dilucin Planificada es el material que se encuentra fuera de la definicin econmica de mineral y se incorpora como parte del diseo minero

La dilucin actual u operativa es aquella que se extrae por sobre las reservas mineras.

La dilucin operativa puede ser econmica o no dependiendo de su contenido de producto

Recuperacin MineraLa recuperacin minera planificada es aquella porcin de la envolvente econmica que se extrae como parte de un diseo. En algunos mtodos la recuperacin es baja producto de pilares, losas y tambin la contaminacin de minerales econmicos con estril La recuperacin actual u operativa toma en consideracin la extraccin con respecto a las reservas mineras definidas en el plan de produccin. La recuperacin actual podra incluir materiales estriles en su definicin, ya que estos son parte de las reservas mineras

UtilizacinEl porcentaje de tonelaje que se extrae por da en relacin al tonelaje preparado en las diferentes UBMs que componen el sistema minero100kt100ktProduccin10 ktpdU=1 casern en produccin/(2 caserones preparados)=50%

ConfiabilidadTiene relacin con la probabilidad que un determinado diseo minero opere para producir una determinada cantidad de mineralEs funcin de la tasa de falla intrnseca de los componentes del sistema minero Es funcin del estado tensional presentado en la infraestructura minera.

EjemploConsidere 100 t de mineral de una ley de 10% de la cubicacin de un casern. El mtodo de explotacin ofrece una dilucin media de 15% y la recuperacin metalica de 88%. Estime las reservas mineras. Suponiendo que la dilucin posee 0 leyTons=100t*1.15=115 tLey=10%*0.88/1.15t=7.65%

Conceptos de DilucinVariables crticas en la estimacin de dilucin en minera subterrneaEl mtodo minero y el tamao de los equiposLa variabilidad de la ley en los limites del cuerpo mineralizadoLa geometra y continuidad de la mineralizacinLos ritmos de extraccinDimensionamiento de los caserones como radio hidrulico, RQD y dimensiones de pilares

Dilucin de Acuerdo al Mtodo de ExplotacinLa dilucin nunca es menor a 5%Para cut and fill tipicamente la dilucin es del orden de 5-10%Para caserones la dilucin es de 10-20%Mtodos de caving 20-30%

MI 58B: Diseo de Minas SubterrneasCtedra Codelco de Tecnologa MineraInstructor: Enrique RubioPgina *MI 58B: Diseo de Minas SubterrneasCtedra Codelco de Tecnologa MineraInstructor: Enrique RubioPgina *MI 58B: Diseo de Minas SubterrneasCtedra Codelco de Tecnologa MineraInstructor: Enrique RubioPgina *MI 58B: Diseo de Minas SubterrneasCtedra Codelco de Tecnologa MineraInstructor: Enrique RubioPgina *In general for underground mines:

Small output mines (4,000 tpd) - a main haulage level is used and all the ore is dropped to that haulage level via ore passes.

A level includes all the horizontal workings tributary to a shaft station. Ore excavated in a level is transported to the shaft to be hoisted to the surface.

Note the different types of drilling: development drilling to open up the orebody and exploration drilling to better define the limits of the orebody.

MI 58B: Diseo de Minas SubterrneasCtedra Codelco de Tecnologa MineraInstructor: Enrique RubioPgina *Adicionalmente se puede realizar banqueo o perforacin frontal dependiendo de las caracteristicas estructurales de la roca y la potencia del cuerpo mineralizadoMI 58B: Diseo de Minas SubterrneasCtedra Codelco de Tecnologa MineraInstructor: Enrique RubioPgina *Vertical longholes are drilled from drives developed in the ore between two levels. The ore is then blasted using a charge that occupies a relatively small length of the hole, some distance from the bottom face. The blast creates downward facing craters and the broken ore is drawn from the stope on the lower level. The stope is then backfilled.

The method has a low explosive consumption.

MI 58B: Diseo de Minas SubterrneasCtedra Codelco de Tecnologa MineraInstructor: Enrique RubioPgina *MI 58B: Diseo de Minas SubterrneasCtedra Codelco de Tecnologa MineraInstructor: Enrique RubioPgina *Cut-and-fill mining is applied for mining of steeply dipping orebodies, in strata with good to moderate stability, and a comparatively high grade mineralization. Cut-and-fill is therefore preferred for orebodies where with irregular shape and scattered mineralization. Cut-and-fill allows selective mining.MI 58B: Diseo de Minas SubterrneasCtedra Codelco de Tecnologa MineraInstructor: Enrique RubioPgina *Sublevel caving is used to mine large orebodies with steep dip and continuation at depth. The ore Is extracted via sublevels which are developed in the orebody at a regular vertical spacing. Each sublevel has a systematic layout of parallel drifts, along or across the orebody. Longhole rigs drill the ore section above a drift. Blasting on each sublevel starts at the hanging wall and mining then proceeds toward the footwall. The blasting removes support for the hanging wall which collapses into the drift. Loading continues until it is decided that waste dilution is too high. Work then begins on a nearby drift heading with a fresh cave.

MI 58B: Diseo de Minas SubterrneasCtedra Codelco de Tecnologa MineraInstructor: Enrique RubioPgina *MI 58B: Diseo de Minas SubterrneasCtedra Codelco de Tecnologa MineraInstructor: Enrique RubioPgina *