sublevel caving
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Metodo de minado por hundimiento de subniveles SLC
Castro Cuya Lincoln 20091166I
Introducción
SLC es un metodo masivo de minado basado en la utilizacion del flujo gravitacional del mineral disparado y del desmonte derrumbado.
SLC es la evolucion natural del tajeo por subniveles. El block caving, en cambio es el siguiente paso en el aumento de escala del SLC.
En la primera aplicacion del SLC, el mineral no era perforado ni volado,pero ciertas partes eran rotas por hundimiento inducido(de ahi el nombre de hundimiento por subniveles).
Actualmente , el metodo se ha adaptado a rocas competentes que necesitan ser perforadas y disparadas; sin embargo, las cajas son las que se derrumban.
Ventajas
Es un método seguro. Las dimensiones de la galería de producción son alo mas 5m ancho y 4 m de altura
Alta mecanización: debido a la independencia de las operacionesunitarias.
Tiene un costo deproducción relativamentebajo.
Desventajas
Alta dilución
La perforación y voladura debe estarmuy bien controlada, para poderobtener adecuados fragmentos demineral que permitan el flujogravimétrico.
Perdida de mineral en las zonaspasivas
Alto costo de desarrollo(subniveles,rampas, chimeneas y ore passess)
Subsidencia y daño a la superficie
Se deben determinar muy bien losparámetros del flujo gravimétrico
En SLC, todo el mineral debe ser fragmentado para poder utilizar el flujogravimétrico.
El estado en que queda el mineral después de ser volado es llamado«coarse material»
Este material se caracteriza por tener diferentes formas y tamaños
la distribución del tamaño depende de la malla de perforación y lavoladura
Este material puede ser muy heterogéneo pero podemos asumir 4 tiposbásicos.
Clasificación de los materiales gruesos indicando los Angulo para el transporte gravitacional
• Tipo I. importante cantidad defragmentos esféricos maso menos delmismo tamaño y forma.
• Tipo II. Materiales del mismo tamañopero diferente forma.
• Tipo III. Material compuesto porfragmentos grandes, granos y arenas.
• Tipo IV. Es una mezcla de materialesgrandes, granos, arena o polvo de roca,arcillas, etc.
• GF. Rango para el transporte porgravedad
• El mineral volado y el desmontepertenece al tipo III y IV.
Principios del flujo gravitacional
La teoría del flujo gravitacional fue dadapor Kvapil y Janelid (1956)
Para construir silos eficientes era necesarioconocer los principios del flujo gravitacionaldel material almacenado.
El flujo gravimétrico en SLC es mucho mascomplejo que el flujo en los silos
La geometría y dimensiones del SLC nopueden ser seleccionadas aleatoriamente,sino deberían ser planeadas con respectoa las leyes del flujo gravitacional demateriales gruesos.
Debemos darnos cuenta que el flujogravitacional de materiales gruesos escompletamente diferente al flujo delíquidos.
Factores que controlan el flujo gravitacional
El flujo gravitacional se puede demostrarde una manera sencilla , en un recipientetransparente relleno con capashorizontales de arena blanca ynegra(Kvapil).
Para la simulación del flujo gravimétrico seuso el modelo mas sencillo. Este es un silocon el eje de la apertura de extraccióndebajo.
La apertura de extracción en el modelotiene las mínimas dimensiones quepermitan el flujo continuo de material
La inclinación de la parte inferior no tiene influencia en el flujo gravimétrico
Esta fig. muestra una fase de extracción masavanzada.
• La deflexión de las capas horizontales indica lazona activa.
• Las zonas con las capas inalteradas son lasllamadas zonas pasivas.
si unimos los limites de zona activa, se observauna forma muy parecida a una elipse, que si lavemos en el espacio seria un elipsoide derevolución
La forma elíptica se introduce como unasimplificación para un mejor análisis matemático.
Después de la extracción de cierto volumen,el material remanente reemplaza estaperdida por su desprendimiento. formandoun elipsoide de desprendimiento.
Hay un relación entre el volumen de materialextraído y el elipsoide de desprendimiento.
El tamaño y la forma de este elipsoide seincrementa con el volumen de material.
Dependiendo de las propiedades del materialeste elipsoide desprendimiento puede tenerentre 14 y 16 veces el volumen del materialextraído.
Por los patrones observados en el modelo,no es posible definir la forma ni el volumende la zona de donde el material a sidoextraído.
Solo sabemos que si extraemos ciertacantidad de material se formara un elipsoidede desprendimiento
Bajo estas condiciones Es obvio que la velocidad en el contorno del
elipsoide desprendimiento es cero, y que lavelocidad es mayor en el centro de laapertura.
Podemos hacer un análisis para determinarla distribución de velocidades.
Luego podemos encontrar zonas quetengan la misma velocidad, la línea que unelos puntos con una misma velocidad formaen el plano un elipse y en el espacio unelipsoide de misma velocidad.
Evidentemente, la forma de las zonas deflujo gravitacional esta controlada por unaespecifica distribución de la velocidad demovimiento, resultando en elipsoides demisma velocidad.Por lo tanto, no solo la zona dedesprendimiento tiene forma de unelipsoide, sino que también la zona desdedonde se extrajo el material descargado, aesta zona se le conoce como elipsoide deextracción.
El elipsoide de extracción es definido como: la superficie que se genera alunir ciertos punto que alcanzan simultáneamente la salida
La existencia de un elipsoide de extracción puede ser demostrado por variosmétodos diferentes. Una posibilidad es hacer un modelo tridimensional dondese coloquen ciertas marcadores en el material granular bajo un patróndeterminado.
La posición original de los marcadores es conocida antes de la extracción, losmarcadores extraídos junto con el material extraído definirán el elipsoide deextracción.
El método de usar marcas a sido usado para determinar el elipsoide de extracción así como también toda la zona activa en silos.Una evidencia mas practica del elipsoide de extracción se muestra a continuación
Es evidente que,con la extraccióncompleta delelipsoide deextracción. Se formaun embudo . Elvolumen de esteembudo es igual alvolumen delelipsoide deextracción
Para cierta altura ℎ�, se dan las siguientes relaciones.
Estas relaciones , son la base para entender, explicar y justificar los femémonos envueltos en el flujo gravimétrico.
Asumiendo lamismaexcentricidadpara los 2elipsoides .
Ahora para la misma altura de extracción, el elipsoide de extracciónpuede tener diferentes volúmenes para diferentes materiales, ya que laexcentricidad del elipsoide depende de la fragmentación del material.
La excentricidad tambiéndepende de la forma de laspartículas(esféricas,irregulares),rugosidad de laspartículas, Angulo defricción, densidad, radio deextracción, humedad,resistencias de laspartículas.
Todo estos factores resultanen un cierto comportamientoque puede ser expresado entérminos de la movilidad delmaterial.
A mayor movilidad masexcéntrico el elipsoide,
A menor velocidad mas anchoes el elipsoide.
Aplicación al SLC
La geometría del SLC es similar a la de unsilo con una apertura de extracciónlocalizada no en la parte inferior sino en lapared del silo
La zona de flujo gravitacional es cortada porla pared vertical
Es decir el elipsoide de extracción ydesprendimiento es cortado por lapared vertical
Ele eje del flujo gravimétrico estadesviado de la pared un Angulo ∆
El ángulo ∆ se incrementa cuando lafricción a lo largo de la pared seincrementa
Omitiendo esta desviación podemosasumir que el eje del flujo gravimétricocoincide con la pared
En las descripciones anterioresasumimos que el material debía serdescargado por una apertura de anchomínimo que permitía el flujo continuo.
En SLC el ancho de la apertura dedescarga esta dada por el ancho de lagalería de producción que es muchomayor que la apertura mínima
Vemos que la parte central se muevecomo una columna, este tipo demovimiento se llama flujo de masa
En SLC la apertura en el techo tiene laforma de un slot y su longitud teórica seria ladel ancho de la galería. En este caso
Forma simplificada dela zona de extraccióncreada en el SLC seria un elipsoide queconsiste de 3 partes:
Flujo de masa B
Flujo gravimétrico normal A
Mientras mas incrementamos el ancho de la apertura mas aumenta elancho del elipsoide de extracción y por lo tanto el volumen de la zonade extracción
También se incrementa el volumen de material sin diluir que se puedeextraer ya que el embudo de salida alcanzara la apertura mas tarde.
Debemos decir que el ancho efectivo deextracción no solo depende del ancho de lagalería de extracción sino también de la formadel techo
Si el techo es arqueado se formara un cono quenos dará un ancho efectivo de extracciónpequeño. Que no es deseable.
Si el techo es horizontal(o un poco arqueado) elmineral volado formara un prisma en la galería,por lo tanto se utilizara casi todo el ancho de lagalería
Esta figura indica el ancho efectivo de extracción como un porcentaje del ancho de la galería en función a la forma del techo
Una correcta extracción demineral no solo depende de unancho grande de extracción, sinotambién de un adecuado grosorde la zona de salida.
De acuerdo a la teoría derankine las trayectorias demáximos esfuerzos en unmaterial están inclinados unángulo � de la vertical
∅ es el ángulo natural derasposo
El punto 2 representa laintersección de las trayectoriasdesde el punto 3
• Este grosor depende de cuanto pueden penetrar los cargadores enel talud.
• Si la penetración es pequeña el grosor de salida es pequeño y solouna pequeña parte de la altura de la galería seria utilizada para laextracción
Si vamos extrayendo material, el Angulodel talud alcanzara el limite teóricoestablecido por la línea 2-3
Esto es donde el FS es igual a 1
Lógicamente para usar la alturacompleta de la galería la profundidad depenetración debe ser
la profundidad de penetración de loscargadores son aproximadamente entre1 y 1.3 m mucho mas pequeño que laprofundidad teórica x
Por ejemplo si ∅ = 35 � ℎ� = 3 laecuación x = 2.7m la profundidades sonmenores que esta.
Esto quiere decir que solo una parte de la altura de la galería será utilizada(e).
Este ángulo no es constante, el talud puede variar entre los puntos 1 y2,
Esto quiere decir que el pie del talud puede estar muy cerca a 2.
Mientras mas cerca el talud este del plano 32 se estará ante un inminente fallo. Por lo tanto, por razones de seguridad, es útil definir el Angulo del plano 32 y inducir la falla del talud antes de llegar a condiciones limites
Como se ha mencionado el elipsoide de extracción ( para una apertura mínima) no tiene la forma exacta de un elipsoide sino mas bien tiene la parte superior mas ancha
Para materiales muy finos esta diferencia es mínima
tiene el frente es demasiado rugoso, hay altafricción, entonces el elipsoide estarádesviado de la vertical.
Esta desviación depende de la altura delsubnivel. Para un altura de 11 m estadesviación puede ser 1m
Entonces la forma del elipsoide deextracción será :
El cambio de forma es muy notorio en SLC ya que además de tener unaapertura de extracción grande hay muchos otros factores debido a lavoladura, que se realiza contra el desmonte.
Estudios de laboratorio y pruebas in-situ
Investigaciones para saber la forma delelipsoide de extracción han sido desarrolladasen modelos de laboratorio y pruebas in situ
Cada uno con sus ventajas y desventajas
En el laboratorio no se puede simular lascondiciones naturales perfectamente
Y en el campo es muy laborioso y caro.
Estos análisis sugieren 2 formas del elipsoide
Para razones ingenieriles es suficiente conocerla forma, pero es insuficiente para desarrollaruna teoría explicita.
Aunque la diferencias son pequeñas se puedediferenciarlas
Guía de diseño practico
La parte mas importante del diseño de unSLC es la determinación geométrica delminado que tendrá que satisfacer lo mas quese pueda los parámetros del flujogravitacional.
Primero tenemos que determinar el ancho y elespesor del elipsoide de extracción para unadeterminada altura.
Actualmente no existen métodos explícitospara calcular los parámetros debido a laheterogeneidad de los materiales y lo diversosfactores envueltos en el flujo gravimétrico.
Se darán ciertas formulas empíricas queservirán como una pauta
Dimensiones del elipsoide de extracción
Para eliminar el factor del tamaño de la aperturade extracción, los modelos de investigación,pruebas in situ y observaciones en lasoperaciones de SLC se usaron para determinarun ancho teórico aproximado W’ del elipsoide deextracción, asumiendo la extracción a través unancho mínimo
Asumiendo una fragmentación normal de mineral,el ancho teórico mínimo de la apertura es aprox1.8m
Ya hemos visto que la excentricidad del elipsoide aumenta con laaltura de extracción y la granulometría del material.
Para una misma fragmentación el flujo gravitacional de un materialmuy denso(magnetita) será mas esbelto que el de uno menos denso(calcopirita)
El ancho teórico W’ del elipsoide de extraccióncorrespondiente a una altura ℎ� de extracción semuestra para minerales de alta y baja densidad.
El ancho efectivo de extracción es normalmentemas largo que el ancho mínimo, y por lo tanto, elancho total W del elipsoide de extracción en elSLC serán mas grandes que los mostrados.
Una aproximación del ancho total W y de lapotencia del elipsoide de extracción para unaaltura dada ht se puede calcular por lassiguientes formas empíricas.
Espaciamiento vertical entre subniveles
Después de la extracción, un pilar con formatriangular queda en la parte superior cubiertopor una zona pasiva con mineral remanenteque puede ser parcialmente recuperado desdeel nivel inferior
Por lo tanto la altura de extracción estadefinida por la distancia entre el piso del nivelinferior y el punto A
Las galerías de producción en el SLC deben estar localizadas bajo ciertopatrón conforme al flujo gravitacional.
Las galerías de extracción deberían estar ubicadas en la zona donde el
elipsoide de extracción tiene su ancho máximo ��. Esto ocurre a���
�
Esta altura indica aproximadamente la distancia ℎ� entre subniveles.
Espaciamiento horizontal entre galerías
Necesitamos determinar el ancho del elipsoide de desprendimiento ��
en una sección horizontal justo al nivel donde el elipsoide extraccióntiene su ancho máximo ��
Asumiendo que las relaciones y principios del flujo gravitacional sonaplicadas al SLC, el ancho total del elipsoide de extracción es un 60 a65% del ancho del elipsoide de desprendimiento.
Ancho de la tajada burden (b)
En SLC convencionales se tiene la siguiente relación
�� ≤ ℎ�
Lo que significa que la geometría básica tiene la forma de uncuadrado o se desvía ligeramente de ella
Una guía aproximada para el espesor de una tajada tronada en elfrente de un subnivel es :
Inclinación del frente
El frente es usualmente vertical o inclinado 80 grados
Esta inclinación no solo es favorable para la perforación y cargar lostaladros sino también para minimizar la dilución
Con un frente vertical el elipsoide de extracción penetra en eldesmonte.
La inclinación del frente cambia laforma del flujo gravimétrico y elelipsoide será mas delgado.
Extracción y dilución
Se muestra El proceso ideal de dilución desarrollado en SLC como unafunción del volumen de mineral y el volumen total extraído.
Teóricamente la mejor extracción 100% esta definida por la línea OA.imposible en la practica.
La extracción optima puede tener diferentes valores dependiendo de losfactores económicos.
En la fig. asumimos que la extracción paradespués de extraer 110% del volumen deltajeo
Como una guía para la evaluación de la extracción (asumiendo unaextracción de 110 % de material) se puede usar las siguientesclasificaciones:
Clase I: la extracción es buena mineral 80% y desmonte 30%
Clase II; la extracción es aceptable mineral 75% y desmonte 35%
Clase III: la extracción es pobre mineral 65% y desmonte 45%
• La dilución total se puede definir alcomienzo del proceso de dilución. porejemplo
• Si depuse de extraer 71% de materialtenemos 60% de mineral, podemosesperar que cuando hayamos extraído120% de material 77% sea de mineral
Ejemplo de aplicación
Determinar la geometría aproximada para un SLC tradicional, dada la siguiente información:
Ancho del subnivel �� = 5�
Altura del subnivel ℎ� = 3.5�
El mineral volado tiene alta densidad
Forma del subnivel: techo plano
La altura del elipsoide de extracción se estima que es ℎ� = 21�
Calculamos en el ancho efectivo de extracción que esta en función de la forma del techo.
� = ���0.7 = 5�0.7 = 3.5�
El ancho teórico W’ del elipsoide de extracción para una altura ℎ� =21�
�’ = 6.8�
Ancho del elipsoide de extracción � ≤ 6.8 + 3.5 − 1.8 = 8.5�
d� ≤ 8.5/2 = 4.25�
Espaciamiento del burden � =4.25/2 = 2.12
La altura hs es aproximadamente
ℎ� = 2/3 ℎ� – 1,5
h� = 12.5�
Ya que la altura total de extracción es ℎ� = 21� > 18� entonces el espaciamiento horizontal será
�� < ��/0.65 < 13.07�
Para una mejor extracción es favorable que las zonas de desprendimiento se intersecten por lo tanto
�� = 12�
Debemos enfatizar que las formulas que hemos usado para ladeterminación de la geometría han sido calculadas asumiendomuchas simplificaciones y solo deben servir como guía.
Como un diseño preliminar de la geometría