Transición Rajo – Subterránea.

Luis Gallardo

En la actualidad, existe una gran cantidad de minas con explotación a rajo abierto en las que los cuerpos mineralizados no se encuentran acotados en profundidad. Por esta razón se ha comenzado a tomar conciencia acerca de que al término de la vida útil de una mina a rajo abierto es factible que continúe en producción, a través de la implementación de una minería subterránea bajo el rajo.

Esta idea de plantear una opción de minería subterránea bajo un rajo, se presenta como una alternativa válida cuando no se vislumbra un pit final en un mediano plazo, es decir 5 a 15 años. Pero no se queda tan sólo con abrir la posibilidad de una minería subterránea, sino también se sugiere un diseño de block caving como “sucesor natural” dado sus “altos ritmos de producción, altos niveles de mecanización y sus bajos costos”

Sin embargo, el hecho de no concebir al mismo tiempo la mina a cielo abierto y la opción de término subterránea, hace que se posterguen los estudios relacionados con ésta. Ello posteriormente llevará a realizar el estudio en un período más estrecho de tiempo, y “usualmente ‘algunos años’ no son suficientes para desarrollar seguro y correctamente un análisis en esta materia, principalmente cuando es necesario recolectar y definir la información base para los propósitos de una mina subterránea”. Por último, existen otros problemas no técnicos que afectan el proceso de transición; el cambio en el método de explotación requerirá de una capacitación de la mano de obra, un cambio de los proveedores de los equipos mineros y en el tipo de restricciones a las cuales se encuentra sujeta la mina

La socavación de la base de un bloque en minería de block caving, mediante técnicas usuales de perforación y tronadura, es la metodología utilizada para inducir el inicio del hundimiento del cuerpo mineralizado. En este contexto, existen otras técnicas, tales como la creación de extensas excavaciones tipo slot y el preacondicionamiento del macizo rocoso, ya sea por tronadura confinada o por fracturamiento hidráulico, que pueden ayudar a inducir el inicio del hundimiento, pero que sin embargo, no pueden reemplazar una adecuada socavación del cuerpo mineralizado a hundir.

Estrategias de socavaciónPor estrategia de socavación se hará referencia a la secuencia de construcción de las labores productivas, es decir, la temporalidad de la tronadura de socavación relativa al desarrollo de las labores en los niveles de hundimiento y producción, y a la apertura de las bateas. Diversos autores coinciden en que las estrategias de socavación más importantes son:• El hundimiento posterior o convencional• El hundimiento avanzado• El hundimiento previo

Hundimiento convencionalLa secuencia constructiva de labores utilizada en esta metodología se muestra en la figura y se detalla a continuación (Karzulovic, 1998; Rojas et al, 2000)1) Desarrollo labores Niveles de producción y de Hundimiento.2) Apertura de Bateas de extracción.3) Tronadura de socavación en el nivel de hundimiento, avanzando con el frente de hundimiento hacia las bateas abiertas.4) Inicio de la extracción.

Hundimiento previoLa aparición de técnicas de socavación alternativas a la metodología convencional es el resultado de una serie de investigaciones y pruebas cuyos orígenes se remontan a principios de la década de 1970 En aquellos años, ya se consideraba el potencial uso de excavaciones de protección, que mediante la generación de sombras de esfuerzos, podrían disminuir el riesgo de ocurrencia de inestabilidades geotécnicas asociadas a concentraciones de esfuerzos. Posteriormente, a comienzos de los años 80, y luego de diversos estudios de aplicabilidad de este concepto en la mina El Teniente, se definió el llamado “hundimiento previo”, en donde la socavación del bloque estaría adelantada respecto a la preparación de las labores en el nivel de producción

En este método la secuencia constructiva de labores es la siguiente 1) Preparación de labores en el nivel de hundimiento.2) Tronadura de socavación en el nivel de hundimiento avanzando con el frente desocavación hasta alcanzar una cierta distancia por delante del futuro frente de extracción.3) Preparación de labores en el nivel de producción.4) Apertura de bateas bajo área socavada.5) Inicio de la extracción.

Hundimiento avanzadoDiversos autores mencionan que el hundimiento previo puede ser considerado como una variante del hundimiento avanzado . En este método, la socavación en el nivel de hundimiento se realiza sobre un nivel de producción parcialmente desarrollado. La secuencia constructiva de labores se detalla a continuación

1) Desarrollo de las labores del nivel de hundimiento, y de algunas del nivel de producción.En general solamente se construyen las calles de producción.2) Tronadura de socavación en el nivel de hundimiento avanzando con el frente desocavación hasta alcanzar una cierta distancia por delante del futuro frente de extracción.3) Se desarrollan las restantes labores del nivel de producción en el sector bajo el áreasocavada.4) Se realiza la apertura de las bateas.5) Se inicia la extracción.

De esta manera, si al comienzo de la vida de un proyecto se estudia y se toma la decisión de llevar a cabo una transición del método de explotación a rajo abierto hacia una mina subterránea, entonces se enfrentará un nuevo escenario, en el cual el VAN y la vida útil del proyecto serán distintas y probablemente generen mejores expectativas. El método subterráneo indicado para soportar un proyecto de transición corresponde a los de caving, ya que éstos son los que devengan los menores costos de operación y alcanzan los mayores ritmos de producción. Esta visión permite, además, dar una mayor flexibilidad al diseño subterráneo.

Sin embargo, ¿cómo se define el pit final en el cual se detiene la minería a rajo abierto y se da paso a un método subterráneo? ¿Está condicionado el diseño del pit final al proponer una opción subterránea en profundidad? En la actualidad no se tiene plena claridad acerca de cómo abordar este problema. Las técnicas de diseño y planificación utilizadas obtienen el máximo de cada una de las operaciones involucradas, pero es sabido que no se alcanza necesariamente el máximo global de un sistema si se maximizan cada una de sus componentes

Además, existe un impacto en la definición del pit final de una mina a rajo abierto al barajar dentro de las opciones su futura transición a subterránea. El principal tema son los riesgos asociados a ésta decisión, que consisten en cambiar o adaptar la infraestructura, habilidades y conocimiento, y la habilidad de la organización para aceptar el cambio

Otros temas importantes al momento de analizar la transición de las operaciones a rajo abierto a una subterránea, corresponden a la geología, hidrogeología, la estimación de reservas, los estudios geotécnicos, el acceso a la mina y el diseño de ésta. Con respecto al cálculo de reservas, es aceptado en la mayoría de las minas de block/panel caving el uso del modelo PCBC del software GEMS. Este modelo simula el proceso subterráneo y entrega como resultado una ley y un tonelaje asociado a la opción, incluyendo en el análisis estimaciones de toppling de mineral desde las paredes del rajo a la zona de caving

Dentro de los principales puntos que se deben tener en cuenta al desarrollar un proyecto de transición, se destacan tres desafíos: incluir los aspectos geotécnicos relevantes para el diseño y la planificación de la mina, definir la infraestructura apropiada en la superficie como en profundidad, y definir los plazos del proyecto y las metas de producción. Además, otros temas importantes a considerar dentro de la transición son: la optimización del rajo, el plan de cierre del rajo, la posible interacción entre el rajo y la subterránea, y el diseño de la mina subterránea.

La metodología a través de la que habitualmente se diseñan los pits finales de las minas de operación a rajo abierto corresponde a la aplicación algoritmos que permitan encontrar un conjunto de bloques que, sujetos a algunas restricciones como por ejemplo el ángulo de talud, obtengan el máximo beneficio. Entre estos algoritmos se encuentra el de Lerchs y Grossmann, 1965. Este método permitirá encontrar la envolvente óptima para un pit. El algoritmo se encuentra programado en la mayoría de los actuales softwares y se afirma que este procedimiento es favorable y, a la vez, eficiente computacionalmente hablando.

El algoritmo más conocido y utilizado por las herramientas actuales es el algoritmo de grafos de Lerchs - Grossman (1965). Su función objetivo busca maximizar el beneficio total de un pit, basado en el beneficio neto de cada bloque y su ubicación física en la mina. El beneficio neto de un bloque es la diferencia entre el valor total de extraer el bloque y el costo de extracción del material de la mina y el procesamiento del bloque en la planta. La restricción de precedencia permite asegurar que un bloque no se explote si es que los bloques sobre él no han sido explotados anteriormente. El límite del pit final representa un límite estático de bloques que maximizan el valor no descontado del mineral en el cuerpo mineralizado.

Hochbaum y Chen (2000) aseguran que la heurística también es usada para obtener los límites del pit final. Sin embargo, muchas soluciones son erróneas o no son capaces de limitar el valor de la función objetivo que derivan. Pana (1965) creó el cono flotante heurístico, también conocido como el cono móvil o el cono heurístico dinámico, donde para cada bloque con beneficio positivo se genera un cono invertido. El algoritmo busca los conos tal que el beneficio total sea positivo. Estos conos son agrupados para generar el pit final. El supuesto de que cada cono en el pit final es rentable es incorrecto, en efecto, un pit óptimo podría consistir en la colección de conos donde ninguno por sí solo tiene un valor positivo, pero en conjunto sí lo tienen. Además se mencionan otros algoritmos heurísticos como el de Koborov (1974) que corresponde a una modificación del cono móvil.

Para la mayoría de los depósitos que cumplen ciertas condiciones de tamaño y ley, principalmente los llamados pórfidos, es casi indudable que un método de caving puede ser aplicado. Es esencial además que el macizo rocoso involucrado sea de una baja competencia, de manera que se posibilite la propagación de caving y de ésta manera la eficiencia del método

Dentro de los métodos que interesan para el desarrollo de una transición corresponde a los de hundimiento, específicamente el block caving, “método de explotación masivo en el cual un bloque de mineral en algunos casos representando el área basal del cuerpo mineralizado se corta en su base y luego a partir de la extracción se produce la propagación del hundimiento” , y el panel caving, el cual “es una forma del método de hundimiento en que bloques consecutivos se hunden en forma continua de modo de evitar la dilución lateral y los esfuerzos de relajación producidos en el método convencional de block caving”

En la actualidad, la forma en la cual se diseña y planifica el desarrollo de una mina subterránea es a través de la utilización del módulo PCBC del software GEMS. En este módulo se encuentra incluida la herramienta Footprint Finder. Esta herramienta realiza una optimización sobre el modelo de bloques y, además, considerá una mezcla vertical del tipo volumétrica de Laubsher

Para determinar el valor económico de cada una de las columnas, utiliza una tasa de descuento vertical, la cual es aplicada dado un parámetro de extracción vertical denominado Vertical Mining Rate (VMR). Finalmente, se compara el valor de cada una de las columnas con el costo de desarrollar un nivel y alcanzar esta columna, de manera de determinar si la extracción de dicha columna genera ingresos para, posteriormente, buscar la altura en la cual se produce el máximo valor de la columna.

En la actualidad, dada la alta contingencia del problema de la transición rajo subterránea se han planteado varias investigaciones orientadas a de definir el límite final óptimo del pit. La mayoría de estas investigaciones se basan en una optimización sobre el valor económico global de la explotación. Los modelos que se han tratado son algoritmos de programación lineal y un modelo heurístico. En el caso del modelo heurístico, se utiliza el valor económico de cada uno de los bloques al ser extraído por el método rajo y subterráneo, y luego se busca la combinación de estratos al ser extraídos mediante rajo y subterránea, de manera de maximizar el valor del proyecto

En relación al modelo de programación lineal, se tiene el cuerpo mineralizado discretizado en estratos, los cuales pueden ser extraídos vía rajo o subterránea. Se espera que como resultado del proceso de optimización se determinen los estratos que deben ser minados por cada método. Para realizar esta elección, el modelo compara el ingreso económico actualizado para cada estrato. Dado lo anterior, se busca maximizar el valor del proyecto considerando cualquiera de los estratos menos el costo de desarrollo de la infraestructura de la mina subterránea, sujeto a restricciones mineras y de secuencia. Dentro de las restricciones más representativas que se pueden dar en el modelo subterráneo se tienen la conexidad de los bloques y la subsidencia. Por otro lado, el rajo está restringido por la definición del ángulo de talud global, además de las precedencias para extraer los bloques. Finalmente, una restricción que compete a ambos diseños corresponde a la capacidad de tratamiento, el cual viene dado por cada uno de los métodos utilizados

Método secuencial. El método secuencial consta principalmente de ejecutar un diseño y una planificación de largo plazo para el rajo y, posteriormente, con las reservas remanentes, definir el piso óptimo para la mina subterránea.

Método incremental por fases. El método incremental por fases consta en utilizar los volúmenes incrementales de roca para una serie de pits anidados definidos al usar el algoritmo de L&G, los cuales posteriormente serán evaluados económicamente considerando su extracción vía rajo o subterránea. De ésta manera, se construyen curvas de beneficios marginales de los incrementos para el rajo y para la subterránea. En el caso de la mina subterránea, se tendrán tantas curvas paralelas como niveles del piso sean probados. Luego, el pit final será aquel en el cual se intercepten las curvas de beneficios marginales de los métodos de explotación. A continuación se muestra un gráfico en el que se representan las curvas antes señaladas.

VAN

Pit

Valor opción Rajo

VAN Incremental Subte

PP’P’’

Valor opción Subte 1

¿Cuál debería ser el pit final?

Elevación del piso

• Decisión de largo plazo.• Políticas de aumento de reservas y recursos de las compañías mineras.

• Determinación del pit final y VAN de la compañía.

• ¿Qué hacer con los recursos remanentes?– ¿Es realmente el pit final el fin del negocio?– ¿Una opción subterránea es factible?– ¿Pueden coexistir ambas metodologías?– ¿Se ve condicionado el rajo al dar continuidad a

la extracción con una operación subterránea?

Chuquicamata, Chile.

Bingham Canyon, US.

Highland Valley Copper, Canada.

Grasberg, Indonesia.

Pit Final

Mayor valor como mineralDel block caving

?

Pit Óptimo

Mayor valor comofase del pit

Mineral Rajo

Posible mineralBlock caving

Cada estrato se extrae sólo una vez.

La explotación comienza por rajo y continúa con la subterránea.

1

4

32

5

Se debe seguir una secuencia.

1

4

32

5

Dos estratos no pueden ser extraídos simultáneamente entre métodos.

1

2

32

3

Máxima altura de columna.

HOD

Infraestructura subterránea debe estar lista antes de iniciarse la explotación.

1

4

32

5

3