Smart Mass Mining: Desarrollo y fortificación de excavaciones

En este artículo se da cuenta de la función de la acuñadura y la fortificación en la construcción de túneles mineros, y los desafíos que la minería en profundidad traerá al desarrollo de sistemas inteligentes de soporte.

*Por Raúl Castro, profesor asociado del Departamento de Ingeniería de Minas de la Universidad de Chile. rcastro@ing.uchile.cl

La minería subterránea por su naturaleza requiere de la construcción de diversos tipos de excavaciones a fin de acceder y extraer el mineral de interés. Hoy en día en roca competente se utiliza para el arranque del material, principalmente técnicas de explosivos a través de un ciclo constructivo que incluye perforación, tronadura, carguío y transporte, acuñadura y fortificación. En este ciclo la componente de fortificación tiene una función clave, cual es dar estabilidad a la labor y con ello seguridad a las personas. Por otra parte, constituye un costo y tiempo relevante en el ciclo constructivo, que debe ser considerado en el negocio minero.

En este artículo se da cuenta de manera resumida de la función de la acuñadura y la fortificación en la construcción de túneles en minería. Se aborda el futuro del desarrollo de túneles en el contexto de Smart Mass Mining y los desafíos que la minería en profundidad traerá al desarrollo de sistemas inteligentes de soporte.

Relevancia de la fortificación

Los minerales son recursos no renovables, esto implica que los yacimientos se van profundizando cada vez más al agotarse los recursos en superficie. En estas condiciones la factibilidad económica y técnica puede indicar la necesidad de aplicar minería subterránea. Esta se caracteriza por ser intensiva en desarrollos, que son construcciones de galerías, dada la necesidad de poder acceder al mineral de interés que no aflora a superficie. Actualmente la tendencia es hacia el uso de emulsiones combinadas con explosivo de contorno para controlar la sobre-excavación (Castro et al, 2019).

La profundización de los yacimientos trae consigo retos relevantes, debido al aumento de las fuerzas en torno a las excavaciones que el sistema de soporte debe considerar. El mayor estado tensional o de fuerzas puede significar que el macizo rocoso sufra daños progresivos alrededor de las excavaciones. Estos daños pueden manifestarse a través de sismicidad inducida, estallido de rocas, desprendimientos de bloques o colapsos (Cabezas, 2018). Debido a esto se realizan luego del arranque, labores de acuñamiento y fortificación que permiten, a través de la remoción de fragmentos y la instalación de refuerzos y soportes, controlar el desprendimiento de roca desde las paredes o del techo, para dar seguridad a las personas, equipos y permitir una continuidad en el proceso minero.

La fortificación debe diseñarse de manera racional y específica para cada caso, en particular asegurando la estabilidad de la labor en el tiempo requerido (Hoek et al, 1998).  Los elementos de soporte subterráneos se definen como aquellos utilizados para mejorar la capacidad y mantener la estabilidad de la masa rocosa cerca de una excavación subterránea. El objetivo principal del soporte es la preservación de la resistencia inherente de la masa rocosa, para que pueda ser autosoportante como resultado del trabajo de minería. Para lograrlo, elementos como pernos, barras, cables, marcos, malla y hormigón proyectado, se combinan de tal manera que los efectos de refuerzo se superponen con el soporte para garantizar un rendimiento adecuado. Existe la necesidad de que la fortificación pueda ser construida mediante otros elementos que permitan su manejo posterior (Lara y Barrera, 2016).

Tipos de fortificación

La fortificación en minería subterránea puede clasificarse como pasiva, activa o combinada, de acuerdo con cómo actúa en la roca. La fortificación pasiva es aquella que sólo funciona o trabaja cuando el macizo rocoso experimenta alguna deformación. Un ejemplo de esto son los arcos metálicos y el shotcrete. La fortificación activa se orienta a restablecer el equilibrio original de los diferentes esfuerzos y, al mismo tiempo, a modificar estructuralmente la roca para que esta sea “autosoportable”, y la fortificación combinada es aquella en que, por razones operacionales y de seguridad, combina soportes y refuerzos.

Los tipos de fortificación más utilizados y tradicionales en la minería están asociados a la implementación de pernos de anclaje, malla, shotcrete y cables. La utilización de pernos de anclaje permite al macizo rocoso autosoportarse, ya que impiden que éste se dilate y falle. La implementación de mallas se hace en sectores que pueden presentar una alta probabilidad de desprendimiento de roca a nivel de superficie de la galería.

El shotcrete es una mezcla de cemento, agua, agregados (grava pequeña, arena y aditivos para modificar propiedades). Esta mezcla se proyecta en la superficie de la excavación y se caracteriza por no ser resistente a la deformación del macizo. Finalmente los cables están compuestos por múltiples fibras de acero, que poseen una mayor capacidad de anclaje que los pernos.

Sistemas constructivos

La fortificación de túneles es muchas veces de forma manual, a través de una cuadrilla especializada. Lo anterior significa exposición de las personas a riesgos de inestabilidad.

Hoy en día existen y se utilizan variadas tecnologías mecanizadas para el desarrollo rápido de túneles que incluyen la instalación de soporte. Es más, estos equipos de alta tecnología pueden ser operados de manera remota y semi-autónoma. Es así que para el caso de colocación de pernos y de malla existen equipos, como el jumbo apernador Boltec o similares, que hacen posible instalar ambos de forma remota. En el caso de la instalación de cables, existe en el mercado el equipo Cabletec que permite colocar, inyectar resina o shotcrete y cortar los cables en la frente. En el caso de acuñadura también existen equipos como el Scaletec, para el desate mecanizado, evitando exponer a los trabajadores a los peligros propios de la construcción de túneles. Estas tecnologías están hoy siendo aplicadas en el mundo en el contexto de “Rapid y Safe Development” (Castro, 2014).

Futuros desafíos

El empleo de elementos de fortificación debe considerarse en la planificación como insustituible, ya que sin el aporte y colocación de estos elementos el avance no puede continuar (Varas et al, 2018). Desde un punto de vista de tiempo de construcción, la fortificación puede representar hasta un 40% del total del ciclo de desarrollo de una frente horizontal (Camhi, 2012).

Uno de los desafíos que tiene hoy la minería subterránea es desarrollar galerías y excavaciones de manera rápida, segura y a bajo costo, las cuales permitan la posterior extracción de mineral. La tendencia de la minería subterránea es hacia el concepto de Smart Mass Mining, que apunta en el contexto de la fortificación a la completa mecanización de actividades y el control remoto, y la automatización de operaciones en situaciones más riesgosas. La integración del ciclo constructivo y su gestión, a través de salas integradas de control para la preparación minera, será en un tiempo cercano una realidad (Varas y Pozo, 2018; Pozo 2020).

Referencias 

  • Castro, R., Herazo, Y, Pérez, A., Valdés, R, Medina, J. A Comparison of Emulsions and ANFO usage in the Lateral Development Process at El Teniente, Presented at RETC, Chicago, USA, 17-20 June 2019.

  • Cabezas, R. Vallejos, J. 2018. Comportamiento frágil de túneles en roca dura ante altos esfuerzos. Aplicación andesita. Congreso U-mining, 2018, Universidad de Chile.

  • Hoek, E, Kaiser, P.K, Bawden. 1998. Support for Underground Excavations in Hard Rock, Balkema.

  • Lara, P., Barrera, V., 2018. Materiales compuestos como elementos de soporte, una forma de lograr minería continua. Congreso U-mining, 2018, Universidad de Chile.

  • Camhi, J., 2012. Optimización de los procesos de desarrollo y construcción en minería de Block Caving. Caso estudio mina El Teniente Codelco Chile. Tesis para optar al grado de Magíster en minería, 2012, Universidad de Chile.

  • Castro, R, 2014. Operaciones unitarias en el desarrollo rápido de múltiples frentes. Informe de Ingeniería para Codelco Chile.

  • Varas, F., Pozo, R. 2018. Planificación de la construcción en minería profunda. Congreso U-mining, 2018, Universidad de Chile.

  • Pozo, R, Tobar, P. 2020. Integrated Construction in Andes Norte Project, a ser presentado en Massmin2020, 4-7 Octubre, Santiago.

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