Prueba de Diseños Alternativos de Socavación en Mina El Teniente Néstor Hernández Guajardo, Rigoberto Rimmelin González & Hugo Constanzo Beitia, Codelco-Chile, División El Teniente, Rancagua, Chile. RESUMEN: Las principales minas de Block/Panel Caving en el mundo, usan básicamente dos métodos: Post-hundimiento y Pre-hundimiento. Este último, a su vez, presenta dos modalidades: “Narrow cut” y “Crinkle cut” La mina El Teniente cuenta con vasta experiencia en post-hundimiento y pre-hundimiento, este último en su modalidad de “narrow cut”. Sin embargo no tiene experiencia en la modalidad de socavación tipo “Crinkle cut”, lo cual presenta una interesante oportunidad para mejorar el desempeño de la incorporación de área. El “Crinkle Cut” es una técnica de socavación que ha sido aplicada con éxito en minas como Palabora y North Parkes. Así también esta siendo aplicada en nuevos proyectos como Ridgeway Deeps (Newcrest Mining Limited) que ha iniciado actividades de socavación el presente año 2008. A pesar de la experiencia mundial existente, la aplicación de la técnica de socavación tipo “Crinkle Cut” ha sido aplicada en mallas de extracción tipo “Herringbone”, pues existen ciertas sinergias en términos de diseño, que facilitan la implementación operacional. Por este motivo, la aplicación en mallas tipo Teniente no tiene precedentes, y presenta un desafío en términos de planificación, geomecánica, ingeniería, y operaciones. Se ha determinado que la variable de operaciones es la más crítica, pues requiere del uso de explosivos tipo emulsión, el cual no ha logrado un buen desempeño en pruebas previas en la mina El Teniente, así como el uso de técnicas de pre-carguío de explosivos que nunca han sido probadas en nuestra realidad operacional. PALABRAS CLAVE: panel caving, “Crinkle cut”, diseño de socavación, “narrow cut”, secuencia de socavación. 1 INTRODUCCIÓN El plan de negocios de la División El Teniente, se sustenta en el cumplimiento del plan de incorporación de área. Al respecto, la evidencia ha mostrado un deterioro en la competitividad de nuestra organización para lograr tasas de incorporación de área que aseguren con un mejor nivel de riesgo al plan de producción. Este solo hecho es motivo de preocupación para el futuro de nuestras operaciones, y el riesgo que esto significa para lograr capturar el valor comprometido para el dueño. En este sentido, se han realizado anteriormente esfuerzos para estudiar la problemática del proceso de incorporación de área, en particular para la mina Esmeralda que es responsable de aproximadamente un tercio de la producción total de la mina El Teniente. Estos esfuerzos se han traducido en grupos de tareas y organizaciones ad-hoc, que plasmaron en diversos estudios sus conclusiones y recomendaciones, para lograr el mejoramiento del problema de crecimiento de mina Esmeralda, y aprovechar dichos resultados para el mejoramiento de otros sectores. A partir de estos diagnósticos y propuestas de desarrollo, la Superintendencia de Ingeniería de Minas ha emprendido la labor de continuar con los trabajos efectuados anteriormente, dando forma a una prueba industrial de diseños alternativos de socavación que han sido utilizados con éxito en importantes faenas en el extranjero.

2 SITUACION ACTUAL En mina El Teniente, han sido aplicados tanto el post-hundimiento como el hundimiento avanzado. Así también, existió un proceso de transición cuando se estableció el hundimiento previo en Mina Esmeralda, con resultados de colapsos y pérdidas de competitividad del sector.

El post-hundimiento fue aplicado por primera vez en 1982 en el Nivel Teniente 4 LHD, hasta el año 2007 en el sector Teniente 4 Sur. Actualmente, se ha considerado su uso para sectores de contingencia como Extremo sur Fw y Sur Andes Pipa. Otros sectores donde el post-hundimiento ha sido aplicado fueron: Teniente 4 Norte Fw, Teniente Sub 6, Teniente 4 Fortuna, Teniente 4 Regimiento, Teniente 3 Brechas, Teniente 3 Isla Martillo, Quebrada Teniente y Teniente 4 Puente. Su aplicación en otros yacimientos, ha tenido diferentes caminos de desarrollo, desde su optimización (Henderson y Palabora) hasta su cambio por otros diseños para hundimiento avanzado (Grasberg). En el Teniente, la mina 4 Sur ha sido la que mas área ha hundido con post-hundimiento en relación a otros sectores (ver gráfico 1).

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Gráfico 1: Área hundida con post-hundimiento en diferentes sectores mina El Teniente De la misma forma, la altura de socavación también ha evolucionado desde aprox. 17 m hasta 8,6 m (último diseño utilizado en mina 4 Sur).

Figura 1: Diseño inicial de post-hundimiento. Altura de socavación 17 m.

Figura 2: Diseño final de post-hundimiento. Altura de socavación 8,6 m. En términos generales, el camino seguido por la altura de socavación marcó un quiebre importante con la introducción de diseños tipo “narrow”. Este diseño fue inicialmente probado en mina 4 Regimiento para su posterior uso desde el inicio en mina Esmeralda.

Gráfico 2: Evolución de la altura de socavación en mina El Teniente Con la introducción del “narrow cut” en mina Esmeralda, se marcó un hito importante respecto a cambios estructurales en el método de explotación. Este cambio, buscó mejorar la disponibilidad de área para la producción, lo que orientó los esfuerzos de ingeniería para obtener diseños que permitieran llevar la socavación adelantada respecto a la excavación de bateas. El objetivo buscado fue mantener la infraestructura del nivel de producción y sistema de traspaso y transporte, en zona relajada. Este primer paso se materializó en lo que conocemos como hundimiento previo, cuya característica principal consistió en adelantar el frente de socavación más allá de los desarrollos y construcciones del nivel de producción, sistema de traspaso y nivel de transporte. La aplicación de esta modalidad de hundimiento, fue acompañada de una serie de problemas, que culminó en zonas colapsadas y pérdidas importantes de infraestructura, las cuales fueron explicadas por una combinación de factores tales como:

- Tamaño de la losa, como factor de incremento del nivel de esfuerzos.

- Orientación del frente de socavación respecto a fallas principales, como factor de desconfinamiento.

- Pilares remanentes, como transmisor de energía entre el nivel de hundimiento e infraestructura inferior.

Posteriormente, los análisis efectuados por el grupo de tareas 2004 concluyeron que se debía cambiar hacia un tipo de hundimiento avanzado, que consiste en adelantar la socavación respecto de la excavación de bateas, pero permitiendo la realización de algunos desarrollos y construcciones en niveles inferiores. De esta forma, se puede contar con infraestructura que permita manejar eventuales problemas de generación de colapsos. Además, esta modificación fue acompañada de un estricto control de la losa y de cambios en el diseño de hundimiento. La evolución de los diseños de “narrow”, comenzó con la aplicación del diseño tipo “John Wayne”, con el cual se hundió aprox. 64.200 m2 entre los años 1996 – 2000.

Figuras 3.a y 3.b: Cambio de diseño tipo “John Wayne” desde medio a pilar completo. Posteriormente, el diseño cambió hacia tronadura de frontones, la cual cubría un área mayor en cada vez. Esta condición, evolucionó naturalmente hacia tiros paralelos.

Figuras 4.a y 4.b: Evolución desde diseños tipo frontón hasta tiros paralelos Este último diseño, tiene potenciales de alta productividad al cubrir una gran área con pocas tronaduras, y necesita muy poca o nula extracción de esponjamiento. Esta condición, en teoría, es ideal para la situación de hundimiento previo y hundimiento avanzado, donde ya no se cuenta con la zanja para extraer esponjamiento, como es el caso del post hundimiento. Sin embargo, el método de tiros paralelos, tenía un problema de diseño llamado “doble burden” (ver figura 5), el cual generaba el riesgo de dejar pilares remanentes. Este problema fue corregido, y actualmente el método de tiros paralelos se aplica con éxito en sectores más nuevos como Pipa Norte y Diablo Regimiento.

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Figura 5: Ilustración del problema de doble burden Al corregir ese problema, se ha logrado obtener un diseño operativo de tiros paralelos agregando tiros adicionales, que aseguren corte completo. En este sentido, se elimina la generación de pilar remanente por diseño.

Figuras 6.a y 6.b: Diseño actual socavación con tiros paralelos A pesar de esto, se ha debido retomar la socavación en sectores con pilares abandonados ó con mala socavación. Esta situación ha sido abordada con diseños de corto plazo, tales como: bateas altas y modalidad de apex 0. La batea alta, es un diseño que cumple la doble función de excavar la zanja desde el nivel de producción, y socavar al mismo tiempo, usando tiros más largos que llegan hasta el techo del nivel de hundimiento. Así mismo, la modalidad de apex 0, ha servido para eliminar puntos de apoyo sobre el apex mayor del crown pillar. En este punto es dónde se conectan las bateas sobre las calles de producción.

Figura 7: Diseño de batea alta

Figura 8: Diseño con apex 0. 3 SITUACION CON PROYECTO Además de los diseños utilizados en El Teniente, existen otras técnicas de socavación para hundimiento avanzado, que han sido utilizados con éxito en faenas tales como Palabora y North Parkes. Este tipo de técnicas se conoce con el nombre de “Crinkle Cut”, el cual presenta algunas características que hacen atractivo su utilización, en términos de su simplificación del diseño de la batea asociada, buen desempeño del corte basal y la posibilidad de reducir la distancia entre los niveles de hundimiento y producción. En particular, el diseño tipo “Crinkle Cut” tiene las siguientes características principales:

1) Formación de una mejor visera en los puntos de extracción 2) Posibilidad de disminuir la diferencia de cota entre el nivel de producción y nivel de

hundimiento 3) Mejor condición de daños de la visera en el frente de hundimiento, producto de una desviación

de esfuerzos a partir de una socavación alta. 4) Mejor definición del apex mayor del crown pillar sobre la calle de producción.

Una evaluación de los principales aspectos para el éxito de la socavación y excavación de bateas, muestra que este tipo de diseños es capaz de ofrecer la mejor calificación de riesgo.

Diseño Grasberg Diseño Palabora Front caving Parallel shooters John WayneFA

Con

CTOR DE RIESGO

exión apex sobre lles de producción Moderado Moderado Bajo Moderado Moderado

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ultados MABMM MBBBM BABMB MMMAA MMMABIndicador de riesgo 15 11 19 15

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Tabla 1: Evaluación de riesgo diseños de socavación y excavación de bateas (Alto=5, Moderado=3, Bajo=1)

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Esta evaluación muestra que el diseño de Palabora (“Crinkle Cut”), es aquel que exhibe un mejor desempeño técnico en función de las variables críticas para el éxito del corte basal y excavación de bateas. Esto significa, un menor riesgo que se debería traducir en una menor tasa de fallas, que es un aspecto central de mejoramiento en el contexto de iniciativas como esta prueba industrial. 3.1 LUGAR DE PRUEBA NUEVO DISEÑO El lugar para la prueba del nuevo diseño de socavación tipo Crinkle Cut, se encuentra emplazado en un área aproximada de 2.000 m2, a la cota 2.358 msnm de la Mina Teniente 4 Sur. En la Figura 9, se muestra la ubicación y litología de la zona de la prueba.

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Figura 9: Ubicación de la prueba industrial

El sector escogido para la prueba, es parte de un proyecto minero denominado Extremo Sur Fw, el cual abarca en su totalidad alrededor de 14.000 m2, y se encuentra emplazado en una roca Tonalita 1º,

con estructuras con rumbo norte-este que han controlado la generación de daños en el sector explotado al norte. La definición original del sector completo es una explotación con hundimiento convencional con calles de hundimientos a 30 m de separación entre centros. Sin embargo, para la prueba, se ha dispuesto de un área en el lado oeste, con calles espaciadas a 15 m de separación entre centros, que utilizará hundimiento avanzado. Se espera que la socavación de esta área de prueba sea realizada a mediados del año 2009, siendo la parte final del sector completo. 3.2 ALTERNATIVAS DE SECUENCIA DE SOCAVACIÓN Las alternativas evaluadas, corresponden a las distintas posibilidades de propagar el caving apoyado en el hundimiento antiguo desde el norte. Estas alternativas, han sido clasificadas en:

Alternativa A: Secuencia de socavación Este – Oeste cerrando hacia el sur. Alternativa B: Secuencia de socavación Norte-Sur Alternativa C: Secuencia de socavación tipo bloque (bloque convencional y bloque prueba)

La evaluación fue efectuada mediante un análisis bidimensional, a partir de la condición actual del sector sur de la mina 4 Sur, el cual es evaluado a partir de los bulbos de esfuerzos del modelo en contraste con los daños observados en terreno.

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Figura 10: Modelo bidimensional de la situación actual. Se muestra efecto de desconfinamiento producto de los sistemas estructurales

Del análisis, se observa un desconfinamiento entre las calles 15L y 21L, dónde efectivamente se han podido identificar daños en terreno. Esto muestra que el modelo reproduce la situación actual del sector. Así también, es posible proyectar que si eliminamos las estructuras del modelo, el resultado obtenido es notablemente más benigno, al proyectar un menor desconfinamiento evaluado a través de σ1. Por lo tanto, la orientación del frente de socavación respecto a los sistemas estructurales consituyen un factor de la mayor importancia para definir la estrategia correcta. Dadas las tres alternativas descritas anteriormente, se proyectó el desconfinamiento asociado a cada una, con el fin orientar la mejor estrategia de socavación (figura 11).

Figura 11: Modelo secuencia de socavación para las distintas alternativas A partir de los resultados, se aprecia una mejor condición para la alternativa A, la cual proyecta un menor nivel de desconfinamiento en el frente de socavación. Esto significa que la mejor estrategia para la prueba, consiste en un frente único Este-Oeste, partiendo desde el Noreste y cerrando al suroeste. 3.3 DISEÑO DE PERFORACIÓN Y TRONADURA Básicamente los criterios de diseño, están basados en las mejores prácticas de la industria. Es así que se han definidos los principales parámetros para la definición del diseño de socavación.

Parámetros de diseño Tiros inclinados “John Wayne” Ángulo del corte inclinado 54° Horizontal Espaciamiento calles de producción 30 m 30 m Espaciamiento calles UCL 15 m 15 m Burden 2 m 2 m Espaciamiento al fondo 2,5 m 1,4 m Angulo hacia el frente 15° 60°

Tabla 2: Criterios de diseño para la socavación tipo “Crinkle Cut”

La perforación será realizada con un equipo Atlas Copco H-254, con un diámetro de 2,5”. Dada esta restricción de diámetro, y la calidad de prueba en que se encuentra la aplicación de este diseño en El Teniente, se ha dispuesto incrementar el factor de seguridad, en términos de: factor de carga, mejor condición para el escurrimiento del material fragmentado y corte horizontal “John Wayne”.

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Figura 12: Diseño de detalle para prueba “Crinkle Cut” El diseño contempla una secuencia definida especialmente para la realización de las actividades de extracción de esponjamiento, que aseguran la cara libre necesaria para la siguiente tronadura.

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Figura 13: Secuencia de tronadura para socavación tipo Crinkle Cut Teniente La secuencia mostrada en la figura 13, muestra que los tiros “John Wayne”, son tronados en primer lugar, para tener la posibilidad de limpiar el material tronado con LHD telecomandado. Posteriormente, se detona el abanico de tiros inclinados en conjunto con los tiros “John Wayne” del lado opuesto (calle siguiente). Finalmente, se detona el último abanico de tiros inclinados que, opcionalmente, puede ser realizado en conjunto con los tiros “John Wayne” de la calle siguiente, para comenzar nuevamente el ciclo.

Es posible notar, que esta secuencia introduce un riesgo de exposición a las personas, al cargar los tiros inclinados, el cual es subsanado usando la técnica de pre-carguío. A su vez, el pre-carguío de explosivos, genera la necesidad de utilizar emulsiones. En última instancia, esto explica la definición del tipo de explosivo a utilizar, al menos en lo que respecta a la tronadura de socavación. La práctica de la industria, ha mostrado un mejor desempeño con emulsiones de alta densidad para este tipo de aplicaciones, ubicado en valores entorno a 1,2. Por último la batea es excavada, posteriormente, a piso UCL dejando la posibilidad de utilizar ANFO. De los criterios señalados, es posible visualizar el diseño conjunto de perforación, para el sector mencionado, el cual incluye empalmes de hundimiento convencional con hundimiento avanzado (“Crinkle Cut”).

Figura 14: Vista en planta del diseño de perforación con “Crinkle Cut” (Área Oeste). De la figura 14, es posible observar que un tema operacional relevante será el empalme este-oeste entre el hundimiento convencional y hundimiento avanzado (“Crinkle Cut”), para lo cual se ha definido una batea especial que permita manejar esta situación.

CONCLUSIONES La prueba de un diseño alternativo de socavación en El Teniente, es una oportunidad para mejorar el desempeño en la incorporación de área, desde el punto de visto de la tasa de fallas que se han experimentado usando las técnicas actuales. En esta primera etapa de prueba, se ha considerado una pequeña área, con el fin de abordar la constructibilidad del diseño y obtener experiencia operacional.

Si bien se trata de un concepto conocido (“Crinkle Cut”) en varias minas explotadas por Panel Caving, es importante este primer hito en términos de observar su compatibilidad con la malla Teniente, y subsanar cualquier tipo de complejidad operacional que pueda presentar un problema mayor, ante el eventual caso de una prueba a mayor escala. En esta etapa, se espera poder evaluar aspectos como geometría de socavación, visera del punto de extracción, y formación del crown pillar sobre la calle de producción. Así también, existen hipótesis sobre el una mejor condición de flujo gravitacional que será posible evaluar en contraste con lo observable en puntos de extracción del lado convencional.

BIBLIOGRAFIA Constanzo, H., 2008. Presentación análisis secuencias socavación Proyecto Extensión Sur. Rimmelin, R., 2008. Diseño barrenadura socavación Calles 13Fw, 15Hw y 15Fw John Wayne y Crinkle Cut, nivel de hundimiento, Extensión Sur Tte. 4 Sur. Rimmelin, R., 2008. Teniente Technical Advisory Board, Undercutting presentation – TTAB 2008. Rojas, E., 2005. Informe bases conceptuales de diseño, geomecánicas y de planificación esmeralda 2005 – 2007, SGM-I-025/2005. Rojas, E., 2005. Informe diagnostico mina Esmeralda, SGM-I-024/2005.