Diseño de Accesos y Parámetros Geométricos en Minería a Cielo Abierto

Perforación

Definición

Realización de un agujero que atraviesa la superficie, por ejemplo, la perforación de un terreno.

Ejemplo: Tipo de Roca

Por ejemplo, una roca masiva es una arenisca de grano muy fino con una matriz de 95% de sílice.

1) Rocas Volcánicas

En este yacimiento, existe una roca que recubre en gran parte a la arenisca. Es una toba volcánica que se presenta en bloques y no en horizontes uniformes, lo cual dificulta su voladura con una buena fragmentación.

2) Brecha Volcánica

Existen zonas dentro del yacimiento donde la roca se presenta en bloques. Esta roca, tipificada como brecha volcánica, tiene una matriz de sílice y es muy dura para la perforación y difícil para la voladura.

3) Tobas Volcánicas

Este tipo de roca, la toba volcánica, presenta cavidades de 4 cm y es muy rara. Dicha característica produce una gran amortiguación de la onda de choque, lo que resulta en una voladura defectuosa (mucha botonería).

Diámetro de Perforación

La capacidad de carguío de los equipos y la resistencia a la compresión de la roca limitan la elección del diámetro de perforación. La resistencia a la compresión uniaxial de la roca oscila entre 140 y 230 MPa.

Se consideran dos opciones: una broca de 200 mm (7 7/8" in) y otra de 251 mm (9 7/8" in), para rocas con resistencias a la compresión entre 140 y 250 MPa.

Dimensiones de Perforación Rotativa a Alta Presión

Al trabajar con una perforadora de martillo de fondo, existen dos limitantes: la capacidad del compresor, que solo llega a 57 m³/min (2,000 CMF) a nivel del mar, y el diámetro de la barra, de 0.200 m. Este diámetro de barra se usa debido al diámetro del martillo de fondo (0.203 m). La broca será de 0.251 m, lo que dificulta la evacuación de detritus y reduce su velocidad. El amplio espacio anular disminuye demasiado la velocidad de evacuación, causando excesiva remolienda y dañando la broca y el martillo de fondo.

Se resume la velocidad de evacuación de detritus con tres tipos de barras y una broca de 0.251 m de diámetro.

Elección del Diámetro de la Barra

Información a Utilizar:

• Diámetro del taladro
• Diámetro de la barra de perforación
• Capacidad del compresor de la perforadora

Compresor: 70.80 m³/min a nivel del mar

Pérdida de CFM: 10% por cada 1000 m, SNM

Capacidad real: 70.80 x 58% = 41.06 m³/min a 4200 m, SNM

La velocidad ideal de evacuación de detritus durante la perforación debe estar entre 2,134 m/min y 2,439 m/min (7,000 ft/min y 8,000 ft/min).

Componentes de un Captador de Polvo:

• Campana de extracción
• Conducto de aspiración/transporte
• Cámara de expansión
• Dispositivo de filtración
• Generador de la presión de trabajo

El polvo es arrastrado por la corriente de aire.

Tipos de Rotación

• Perforación por percusión
• Perforación por rotación
• Perforación combinada

Sistemas de Perforación

• Accionamiento neumático convencional o top-hammer
• Accionamiento neumático down-the-hole (DTH)
• Accionamiento hidráulico, solo top-hammer

Top-Hammer

• La energía se transmite por la barra.
• La energía se transfiere a través de la herramienta (broca).
• A mayor longitud de barras, menor la energía transmitida eficientemente.

DTH

• Martillo al fondo de la perforación
• Eficiencia independiente del largo de barras

Potencia en un Equipo Neumático

W_o = 0,5 P A L N [kgm/min]

Donde:

• P: presión manométrica del aire a la entrada del cilindro (6 kgp/cm²)
• A: área de la cara frontal del pistón o área del cilindro de la máquina (cm²)
• L: carrera del pistón (m)
• N: frecuencia de impactos (golpes/min)

Diámetro, carrera y frecuencia en manual del equipo.

Aplicación de la Energía

Fuerza de Empuje (3 Funciones):

• Contrarrestar la fuerza del fluido a presión en la parte posterior del cilindro.
• Contrarrestar la fuerza de reacción de la roca (principio acción-reacción).
• Optimizar la aplicación de la energía.

Velocidad de Avance vs. Propiedades de la Roca

• Depende de la dureza de la roca.
• Coeficiente de Resistencia de la Roca (CRS): Se impacta trozos de roca (~15 cm³) con un número variable de impactos (3 a 40), dejando caer una masa de 2,4 kg desde 0,6 m. El producto se pasa por un tamiz de 0,5 mm (35 mallas) y se pesa la fracción menor. Con la densidad de la roca, se determina el volumen y se grafica el resultado.

Costos Involucrados en la Perforación

Se calcula el combustible total utilizado por las perforadoras y su costo. Se muestran los consumos de accesorios de perforación (barras, brocas, anillos centralizadores "deck bushing", conectores "bit sub") por tipo de roca y su costo. También se muestra el costo total por tonelada de perforar en cada tipo de roca, para comparar con los costos reales de la mina por período.

Diseño de Accesos y Parámetros Geométricos de una Mina a Cielo Abierto

La construcción o habilitación de accesos es una actividad permanente en la explotación minera. En un rajo abierto, se coordinan las actividades productivas diarias con la construcción de accesos, que deben cumplir las siguientes restricciones:

• Acceso libre y seguro a la zona.
• Acceso a tiempo según el programa de producción.
• Cumplimiento de restricciones geométricas de equipos y actividades.
• Cumplimiento de restricciones geomecánicas del sector.
• Extracción de todo el material del sector.
• Realización de actividades paralelas con seguridad.

Construcción y Restricciones de Acceso

La construcción de accesos debe cumplir con restricciones geométricas y geomecánicas para garantizar la operación adecuada de los equipos, evitando su deterioro y accidentes. Los accesos deben regirse por las restricciones geomecánicas de la mina para evitar riesgos de inestabilidad.

Geometría de los Accesos:

• Ancho de bermas
• Ancho de cunetas
• Pendiente
• Ángulo de la pared del camino (corte o relleno)

Otros Parámetros Geométricos:

• Ancho máximo de expansión
• Desfase entre palas
• Ancho mínimo de operación (perforación, carguío y transporte)
• Cruce de camiones o doble vía
• Ángulo overall
• Ángulo inter rampas
• Ángulo de la pared del banco

Diseño de Rampas

Para el diseño de una rampa, se consideran los siguientes datos por tramo:

• P_i: Pendiente del tramo i (%)
• C_i+1 - C_i: Diferencia de cota del tramo i (metros)
• A_i: Ancho del tramo i (metros)
• R_i: Radio de curvatura en el tramo i (metros)
• Lr_i: Longitud real del tramo i (metros)
• La_i: Longitud aparente del tramo i (metros)

La pendiente, ancho y radio de curvatura deben permitir que los equipos alcancen sus rendimientos sin deterioros ni riesgos. La longitud de arco es igual a R*C, donde C = 2sen(β/2), β es el ángulo de la curva y r es el radio desde el centro. La diferencia de cota suele ser la altura de banco, salvo en bancos sin pendiente.

La materialización de la rampa se puede realizar:

1. Desde abajo hacia arriba (corte)
2. Desde arriba hacia abajo (relleno)
3. Tomando como referencia un banco intermedio (mixto)

Se puede elegir el banco con mayor aporte de fino o el que maximiza el flujo del proyecto.

Importancia del Peralte

El peralte, la inclinación del plano de los rieles en las curvas, contrarresta la fuerza centrífuga y se diseña para una velocidad máxima. En la operación, la velocidad debe ser menor a la de diseño por seguridad, para evitar volcamientos. Una velocidad moderada en las curvas evita peraltes pronunciados.

Ángulos de Talud

• Ángulo de talud de la pared del banco: Inclinación de la pared del banco, medida desde la pata a la cresta.
• Ángulo de talud inter rampas: Inclinación del conjunto de bancos entre rampas, medida desde la pata del banco superior de una rampa a la cresta del banco de la otra rampa.
• Ángulo de talud de un conjunto de bancos: Inclinación de un grupo de bancos sin diferencias geométricas importantes, medida desde la pata del banco más profundo a la cresta del más alto.
• Ángulo de talud overall: Inclinación de la pared final del rajo, incluyendo todas las singularidades geométricas, medida desde la pata del banco más profundo a la cresta del banco más alto.

La construcción de rampas y accesos debe respetar las restricciones de la explotación, evitando zonas con peligro de inestabilidad. La coherencia en la medición de los ángulos de talud evita incidentes. Variaciones en el ángulo de talud afectan la estabilidad y los beneficios económicos. Aumentar el ángulo reduce el estéril a remover, aumentando los beneficios, pero solo si las condiciones geomecánicas lo permiten.

Zanjas y Cunetas

Las zanjas canalizan las aguas de drenaje, evitando que dañen los caminos. Suelen tener 1 metro de ancho por 50 centímetros de profundidad, dependiendo del drenaje de la zona. Las cunetas detienen los vehículos en emergencias. La cuneta hacia el rajo debe ser más alta. Su altura suele ser la mitad del diámetro de las ruedas de los camiones, pero idealmente se considera la pendiente, la resistencia a la rodadura y el tamaño de los equipos. La distancia de seguridad considera el efecto visual desde equipos altos, y debe ser mayor a la distancia de percepción.