Magíster en Minería / Ingeniera Civil de Minas / Por más de un siglo se ha llevado a cabo investigación referente al campo del flujo gravitacional a través de variadas herramientas. De hecho, casi todas las minas operadas por métodos basados en hundimiento o explotadas por métodos fundamentados en flujo gravitacional han sido objeto de diversas experiencias de modelamiento con modelos numéricos, modelos físicos y pruebas a escala mina, las que han llevado a lograr un importante avance en el entendimiento de los principales mecanismos que gobiernan el flujo gravitacional. En este contexto, los modelos físicos se presentan como una herramienta de ingeniería que tiene la ventaja de ser el enfoque de menor costo, evitando las dificultades propias de la experimentación a escala mina como las complicaciones de obtener mediciones in-situ- siendo además de larga data y muy costosas. Sin embargo, con el fin de validar los modelos físicos, es fundamental desarrollar una metodología apropiada teniendo en cuenta los efectos de escala y las limitaciones propias derivadas de estos modelos. Este trabajo de tesis, tiene como propósito establecer una metodología para el estudio del flujo gravitacional para un caso en particular, la Mina Goldex (Agnico Eagle, Canadá). El caserón Primario Este, en Goldex, presenta un novedoso método de explotación: el mineral es perforado y tronado como en un SLS pero el nivel de producción corresponde al de una operación de hundimiento por bloques. La mayor preocupación radica en el hecho de que el Nivel de Producción es menor que la proyección vertical del cuerpo mineralizado, generando interrogantes acerca de la movilidad del material ubicado en la pared yacente del caserón. El principal objetivo de esta investigación, es por lo tanto, el estudio de los mecanismos que conducen el flujo gravitacional para el Caserón Primario Este, con el fin de apoyar el diseño ingenieril y para ser utilizado como herramienta para la estimación de reservas y para la estimación de la entrada de la dilución. Los experimentos se realizan en un modelo axisimétrico a escala 1:200. En una primera etapa se desarrolla un test de prueba de IMZ (zona de movimiento aislado) a modo de determinar la geometría de la zona de movimiento. El segundo experimento consiste en determinar la potencial falla del mineral localizado en la pared yacente, mediante una extracción de múltiples puntos. Dado que el mineral situado fuera de la proyección vertical del nivel de producción no se moviliza, es propuesto un nuevo nivel de extracción. El modelo físico se modifica con este nuevo nivel (Nivel 76) y se realizan experimentos mediante la extracción de ambos niveles de producción. Finalmente se conduce un experimento simulando la continua entrada de dilución desde el techo del caserón; el objetivo es determinar los mecanismos de entrada de dilución, así como la recuperación minera y los principales mecanismos que rigen la entrada de la dilución para un hipotético caso inestable. En una etapa final, y utilizando el conocimiento adquirido a partir de los resultados experimentales se lleva a cabo modelación numérica de los experimentos utilizando REBOPv3.1. Los modelos numéricos y los resultados físicos sólo pueden compararse cuando el mecanismo de flujo por gravedad es identificado, con el fin de calibrar adecuadamente el software. Una vez que REBOP que ha sido calibrado, hay evidencia de que las simulaciones del software presentan una buena concordancia con los resultados experimentales para los casos estables, sin embargo, para los casos inestables cuando el mecanismo que rige la entrada de la dilución es el movimiento lateral de la roca quebrada, REBOP no es capaz de reproducir los mecanismos y por lo tanto la entrada de dilución a nivel cuantitativo.

Ingeniero Civil de Minas / El Block Caving es un tipo de extracción minera vigente como método para viabilizar la recuperación de cuerpos minerales ubicados a gran profundidad (Chuquicamata subterránea, Grasberg Block Cave, DMLZ). Aunque se han hecho esfuerzos para el entendimiento del fenómeno de extracción que ocurre en el Block Caving, flujo gravitacional, existen todavía interrogantes sobre cuáles son los parámetros que más inciden en su desarrollo. FlowSim es un simulador que modela el comportamiento del flujo gravitacional a través del concepto de autómatas celulares. FlowSim cuenta con la implementación de algunos mecanismos de flujo gravitacional, carta de extracción, rilling y flujo preferencial. Estos parámetros le han concedido al programa buena precisión en la predicción de leyes y dilución, para un alcance temporal de largo y mediano plazo, sin embargo, queda pendiente la precisión para el corto plazo. El trabajo de investigación tiene como objetivo la evaluación y mejora del software FlowSim como herramienta de modelamiento de flujo gravitacional. Se realiza en primera instancia el estudio de las zonas de extracción determinadas por los trazadores ubicados en terreno. Se observa sus principales características y luego se calibra el simulador en base al tonelaje de salida de los trazadores. La evaluación se efectúa contrastando las características que el simulador no toma en cuenta y se plantean metodologías de implementación con el propósito mejorar el simulador. El análisis de las zonas de extracción da como resultado que la uniformidad (Susaeta 2004) y la granulometría tienen un rol importante como parámetros del flujo, sin embargo, la uniformidad tiene mayor preponderancia en el flujo. Mientras el índice de uniformidad de los puntos que componen una batea sean del mismo tipo (uniforme, semiuniforme y aislado) y tengan valores parecidos de tonelaje extraídos de ese tipo (< 5 %), el flujo tiende a desarrollarse de forma regular. Por otro lado, si los puntos analizados presentan más del 60% del tonelaje de extracción aislada siempre ocurrirá flujo irregular. Finalmente, solo cuando el índice de uniformidad sea distinto para los puntos de extracción en análisis la granulometría incidirá siginificativamente. El análisis de altura de extracción y altura de posicionamiento de los trazadores da como resultado la contracción del diámetro de las zonas de extracción, para los trazadores ubicados por sobre los 50 m del nivel de hundimiento. El diámetro de la zona de extracción pasa de 36m a 22 m desde los 50 m. Esta característica observada difiere de lo reproducido en la simulación de FlowSim. La calibración muestra un error de predicción del tonelaje de extracción de los trazadores de 16 kton, no obstante, las replicas muestran formas similares de las zonas de extracción reales y emuladas. En base al hallazgo de contracción del diámetro de la zona de extracción obtenida, se plantea la implementación del cave back y el efecto de porosidad variable en altura. Mientras que la implementación del cave back se basa en observación de terreno; la porosidad variable en altura tiene su justificación debido al fenómeno de fragmentación secundaria, fenómeno que disminuye la granulometría durante el proceso de extracción. Ya que se observa del análisis de las zonas de extracción generada por los trazadores que, la granulometría pasa a ser la variable principal del flujo cuando la uniformidad de los puntos de una batea difieren (>5%), la implementación de la porosidad en altura tiene plena justificación. La implementación de estos mecanismos complementará los buenos resultados del simulador y de esta forma ayudará al aporte de FlowSim sobre el modelamiento del flujo gravitacional.

Magíster en Minería / En minas de block/panel caving las características del flujo gravitacional del material afectan fuertemente la recuperación y productividad de un yacimiento. Debido a esto, es que las características de flujo del material hundido juegan un rol fundamental en la determinación, a nivel ingenieril, del diseño óptimo de la malla de explotación. Hasta el momento se han realizado pocos estudios sobre la fluidez del material en minería de caving, por lo que resulta trascendental estudiar esto. El objetivo de esta investigación es cuantificar la influencia de fino, humedad, distribución granulométrica, y cargas verticales en la fluidez de mezclas de materiales finos y gruesos, usando un modelo físico escalado (1:75). Este modelo permite realizar experimentos de flujo confinado; bajo estas condiciones se pueden replicar los esfuerzos presentes en minas de block/panel caving. Por medio del análisis de Janssen-Walker, es posible calcular, de forma teórica, los esfuerzos en las paredes de un bunker completamente lleno de una sección transversal cualquiera. En consecuencia, se pueden escalar los esfuerzos existentes en una mina. La fluidez del material puede ser cuantificada por medio de las colgaduras observadas en los puntos de extracción de una mina Lo mismo se aplica al modelo experimental, donde los factores que afectan son la distribución granulométrica y su relación con el tamaño de apertura de los puntos, la presencia de finos y agua, la carga vertical, el ángulo de fricción del material, e inclinación de las paredes del punto de extracción. Los experimentos realizados se clasificaron en dos tipos dependiendo de las variables estudiadas. Con respecto a los resultados obtenidos, la fluidez se caracterizó tanto de forma cuantitativa como cualitativa. La fluidez se definió de forma cuantitativa como el número de colgaduras durante la extracción de 1000 toneladas de roca. Mientras que la fluidez se definió de forma cualitativa como Flujo Libre , Flujo Intermitente , Flujo Asistido , y Sin Flujo . Dentro de las principales conclusiones se tiene que, las grandes colpas son el principal factor de colgaduras en los puntos de extracción y que la fluidez disminuye (aumento de colgaduras) al incrementar el confinamiento y el porcentaje de finos presente, y al haber presencia de humedad. En presencia de finos y humedad se tiene que el flujo disminuye considerablemente, pudiendo observarse experimentos donde el flujo de material debió ser asistido y otros donde simplemente, el flujo era inexistente. También, durante los experimentos de flujo confinado, se encontró la formación de colgaduras en altura, las cuales eran imposibles de descolgar y daban por finalizados los experimentos. Estas colgaduras varían de altura y diámetro dependiendo de la presencia de humedad y finos, siendo de menor altura, las que presentan mayor porcentaje de los factores antes mencionados. El modelo a escala fue útil para comprender los efectos del confinamiento, la humedad y la presencia de finos en la fluidez del material. Los experimentos de flujo confiado mostraron potencial para ser aplicados en diseño minero.

Ingeniero Civil de Minas / Para los métodos de explotación por Block/Panel Caving, el estudio del flujo gravitacional resulta fundamental dado que el éxito de la operación se basa en el efectivo flujo de mineral hacia los puntos de extracción. Es así como parámetros de diseño del nivel de producción, secuencia de extracción, plan minero y en consecuencia la recuperación del mineral, serán afectados por el flujo gravitacional. Considerando lo anterior, un mejor entendimiento del flujo gravitacional permitirá mejorar la eficiencia y en consecuencia la producción de una mina explotada por hundimiento. La profundización de los yacimientos y la explotación llevada a cabo por niveles permiten que sobre las columnas extraíbles de nuevos sectores productivos, se ubique material quebrado remanente, si se suma el hecho de que la búsqueda de minimizar área utilizada por una faena puede llevar a depositar material estéril de granulometría fina sobre el cráter de subsidencia de la mina subterránea, se generan condiciones de borde para la operación que a la fecha no han sido estudiadas. El objetivo de esta investigación es realizar un estudio de flujo gravitacional en minería de Panel Caving, considerando condiciones de borde que pueden ser encontradas en una operación real, para esto se realizan experimentos en un modelo físico a escala (1:200). Con el fin de cumplir con el objetivo planteado se realizan 3 experimentos de flujo gravitacional para representar la configuración de panel Caving (PC). Se busca mediante los experimentos determinar la influencia sobre el flujo gravitacional de la secuencia de extracción y las condiciones de tiraje (ideal y no ideal) en una configuración que considera para la columna extraíble, tres zonas caracterizadas por sus distribuciones de tamaño; mineral in-situ, quebrado remanente y estéril. En todos los experimentos se busca cuantificar la interacción entre zonas de distinta granulometría, además la influencia sobre la recuperación y flujo de reservas ubicadas sobre una zanja acceso. Se utiliza en todos los experimentos material fragmentado, por lo que se asume a escala mina, que el hundimiento ya se ha propagado hasta superficie. Para medir las variables de interés se utilizaron marcadores que fueron agregados al modelo físico a escala, líneas de flujo que permitieran identificar las zonas de movimiento y el comportamiento de la interfaz entre distintos materiales. Se utilizó en los experimentos material fragmentado, correspondiente a estéril de botadero, material quebrado remanente y mineral in-situ, proveniente de una mina explotada mediante PC, este material fue escalado (1:200) a partir de curvas de fragmentación características de un PC. La interacción entre los distintos materiales cargados en el modelo físico, fueron cuantificados en términos del punto de entrada de Dilución (PED) y punto entrada de Quebrado (PEQ). En general los resultados de los experimentos indican que las condiciones de extracción y la secuencia empleada tienen influencia sobre la interacción de zonas de distinta granulometría, pudiendo disminuir el PED para un sector donde existen puntos que son sobre-extraídos o presentan una tasa de extracción mayor a la de sus vecinos. Junto con esto se evidencia la importancia de mantener un adecuado control de tiraje en un PC, dado que de no respetarse las diferencias de tonelaje entre columnas se pueden originar entradas de dilución temprana como consecuencia del aumento del ángulo de extracción. La principal hipótesis que se desprende de esta investigación es que no solo el rilling producto de la propagación del Caving contribuye a adelantar la entrada de dilución, en particular la dilución lateral, también puede tenerse dilución temprana producto de la percolación lateral favorecida por ángulos de extracción pronunciados.

Memoria para optar al título de Ingeniera Civil de Minas / En operaciones de block caving el flujo gravitacional juega un importante rol en la recuperación y el control de dilución. Este tiene influencia en importantes decisiones como el diseño de mallas de extracción, la secuencia de extracción de puntos y en general en todas las variables que definen un plan de producción, en particular en leyes y tonelajes a extraer. En este contexto se presenta FlowSim, un simulador de flujo gravitacional basado en autómatas celulares. El desarrollo de la presente investigación, plantea y verifica la traducción del simulador a un lenguaje computacional más eficiente, C++. FlowSim 2.0 presenta importantes mejoras tanto en los tiempos de ejecución como en la capacidad de manejo de datos, permitiendo el desarrollo de proyectos masivos con planes de producción extensos. Como caso estudio se presenta una comparación entre datos muestreados y la simulación de dos sectores de la mina El Salvador. El foco se centra en evaluar la capacidad de FlowSim 2.0 para reproducir el ingreso de dilución. Los resultados de FlowSim 2.0 indican que este tiene la capacidad para pronosticar el ingreso de dilución en los puntos con dilución observada. Sin embargo, existe una inclinación por parte del simulador a incorporar área adyacente a la zona de dilución, sobrestimando el número de puntos con ingreso de material no deseado. En consecuencia a los resultados, el modelo numérico y la evidencia experimental, se sugiere que FlowSim 2.0 no representa todos los mecanismos de flujo. A partir de esta hipótesis se propone incorporar tres procesos; el efecto del hundimiento en superficie, la propagación de material quebrado en la columna y el flujo preferencial del material de acuerdo a una variable. Estos mecanismos son implementados en FlowSim2D, una versión del simulador en dos dimensiones. El objetivo es comprobar la lógica y aplicabilidad de los algoritmos planteados a través de casos hipotéticos y evidencia experimental del uso de modelos físicos. Es así como FlowSim 2.0 comprueba su potencial uso como una herramienta en la planificación minera. La simpleza del modelo permite rapidez en la ejecución y flexibilidad para incorporar variables de interés.

Ingeniero Civil de Minas / El estudio de flujo gravitacional es fundamental en la minería subterránea por block/panel caving debido a su directa relación con la planificación minera, entregando información como el tipo y cantidad de material extraído, secuencia de extracción, leyes y recuperación. Debido a lo anterior, contar con herramientas computacionales que permitan modelar este fenómeno es de gran ayuda para realizar de la mejor manera las operaciones mineras. Dentro del ámbito del modelamiento de flujo gravitacional, Flowsim es un simulador basado en el concepto de autómatas celulares implementado en lenguaje C++, el cual permite realizar trabajos de forma más sencilla, rápida y con una gran calidad en los resultados. En el presente trabajo se utiliza esta herramienta con el objetivo de evaluar su funcionamiento y resultados mediante el modelamiento de diferentes casos de estudio a nivel experimental y a nivel industrial. Además se utilizan nuevas características del simulador para el trabajo con trazadores y se agrega un nuevo mecanismo para el modelamiento de la subsidencia. Los casos de estudio tratados son el análisis de trazadores recuperados a nivel mina, resultados experimentales obtenidos a partir de modelos físicos y simulaciones predictivas de 370 puntos de extracción pertenecientes a la mina Esmeralda, división El Teniente, focalizando el estudio en el funcionamiento de Flowsim para el cálculo de zonas de extracción, leyes, punto de entrada de material quebrado, y el tiempo de simulación. Los resultados muestran que Flowsim es capaz de replicar los resultados de zonas de flujo obtenidos con trazadores inteligentes en mina con diferencias de 9.7 [%]. Los casos experimentales e industriales analizados con el simulador calibrado muestran una leve tendencia a sobreestimar el punto de entrada de quebrado. Las simulaciones se realizan un 50 [%] más rápido a lo realizado por Rebop, simulador de flujo gravitacional desarrollado por Itasca, mientras que los valores entregados para las variables analizadas son muy similares entre ambos simuladores, variando en porcentajes menores al 5[%]. Las nuevas funciones de Flowsim, como el trabajo con trazadores y el mecanismo de rilling, aumentan las capacidades del simulador, pudiendo llevar a cabo nuevos análisis para la planificación minera. Los trazadores permiten establecer la recuperación para diferentes mallas de extracción y estudiar el comportamiento de los elipsoides de extracción. El mecanismo de rilling permite comprobar la morfología de la superficie y los resultados de su implementación muestra diferencias menores al 2 [%] con respecto a los resultados de modelos físicos. Finalmente, los resultados muestran que Flowsim es una potente herramienta de planificación en desarrollo, que, debido a su versatilidad, permite trabajar e implementar nuevos mecanismos como el trabajo con trazadores y el concepto de rilling, entregando resultados de forma rápida, simple y eficaz.

Ingeniera Civil de Minas / Para la estimación de reservas en block caving existen metodologías manuales que están basadas en principios de mezcla propuestos hace muchos años, como la mezcla vertical determinada por Laubscher. Esta problemática se ha estudiado mediante investigaciones del flujo gravitacional a través de modelos físicos y matemáticos. Dentro de los modelos matemáticos, se destaca Rebop, como un modelo de flujo gravitacional basado en balances de masa y criterios mecánicos del caving, que permiten modelar de forma más asertiva el fenómeno del caving incluyendo la mezcla vertical y horizontal.. Estas metodologías manuales también cuentan con criterios de optimización, en particular se encuentra la metodología de costo de oportunidad, la cual incorpora el costo de procesar mineral de baja ley, cuando es posible enviar a planta un mineral de mejor ley. Por lo anterior, el presente trabajo busca desarrollar un estudio exploratorio de una metodología que determina una secuencia optimizada, mediante la incorporación de un modelo de optimización de secuencia UDESS, que tiene como función objetivo maximizar el valor presente neto (VPN) del proyecto, junto con utilizar el software de flujo gravitacional Rebop, el que obtiene una mezcla más precisa. Posteriormente, los resultados de la metodología de UDESS y Rebop, serán comparados con un procedimiento manual de planificación llamado marginalista el que considera mineral todo lo que se encuentra sobre la ley de corte sobre una secuencia determinada con anterioridad. Para el desarrollo del trabajo se realizaron 4 casos que difieren en la distribución de las leyes y en las alturas de columna en su modelo de bloques. Como resultado todas las secuencias optimizadas, se muestra una disminución en la cantidad de dilución extraída, llegando a más de un 50% menos. Mientras que respecto al VPN en 3 de los casos aumenta en un rango del 7% al 20% dependiendo del caso. El único caso que disminuye, lo hace en un 1%, lo que se considera que está dentro del error permitido del modelo de optimización. Por otro lado, se determina que la distribución de leyes es más relevante que las alturas de columna in-situ, debido a que no se generan secuencias que extraigan proporcional a su altura de columna. Los resultados muestran que en el caso de un block caving, donde la dirección de la extracción es principalmente vertical, esta metodología funciona para obtener una secuencia que maximice el VPN dentro de un horizonte de tiempo determinado. Por lo tanto, se recomienda usar esta metodología tanto para una evaluación de un proyecto como para una planificación de corto plazo, que tenga como objetivo mejorar el VPN, dependiendo de la cantidad y calidad de la información con la que se cuenta. Respecto a las secuencias obtenidas con UDESS se estima que las restricciones que se incorporan son las necesarias para una secuencia de un macro-bloque extraído por block caving, con sus puntos abiertos y disponibles. Sin embargo, se recomienda precisar algunos parámetros como: la apertura de área por periodo, diferencia de altura extraída entre los vecinos, tasa de extracción por punto y discretización del modelo en UDESS. Cabe mencionar que para el uso de la herramienta de flujo, este se debe calibrar con datos mina para mejorar los resultados de simulación.

En este trabajo de título se estudia la validez del modelo cinemático para el problema de flujo gravitacional de partículas granulares no cohesivas. El flujo gravitacional es el mecanismo por el cual la roca fragmentada se moviliza en la minería por hundimiento (subterránea). El modelo cinemático es un modelo fenomenológico que queda definido por una ecuación de difusión de la velocidad vertical de las partículas, siendo el coeficiente de difusión el parámetro a calibrar a partir de datos experimentales. La solución analítica de este modelo ha sido utilizada de manera exitosa en otros estudios, lográndose obtener buenas concordancias con datos experimentales de modelos físicos. La solución analítica utiliza una serie de simplificaciones y no considera condiciones de borde adecuadas que le permitan predecir de manera correcta las geometrías de las zonas de flujo. En particular, no considera la condición impuesta por el ángulo de fricción interna del material granular. Además, no se ha validado para múltiples puntos de extracción interactuando entre sí. Se implementó el modelo numérico 3D, utilizando Comsol y MATLAB, considerando condiciones de borde derivadas de la observación de experimentos en modelos físicos y se procedió a la calibración utilizando resultados experimentales con un punto de extracción aislado. Luego se validó el modelo en los experimentos con múltiples puntos de extracción, donde las zonas de flujo interactúan entre sí. Los resultados de la validación corroboran el modelo, encontrándose errores cercanos al 10%, lo que es razonable para este tipo de modelos. La modelación contempló tanto un punto de extracción como la interacción entre múltiples puntos. Se concluye que el modelo resulta adecuado para describir el comportamiento de material granular extraído desde uno o varios puntos de extracción, haciéndolo candidato como herramienta para el diseño de minería por block caving. Se hace necesario en futuros trabajos considerar una validación a escala industrial (datos reales), considerar el efecto de subsidencia y la migración de finos. De este modo, el modelo resultará una completa y adecuada herramienta de apoyo en el diseño de minas por block caving.

El presente trabajo de título se concentra en un estudio, utilización y análisis de la base histórica de datos que posee la mina El Inca Norte de la División El Salvador de Codelco Chile. El objetivo principal del estudio presentado en este documento es encontrar una relación analítica entre el comportamiento histórico del índice de uniformidad en los puntos de extracción y los modelos de dilución basados en los gráficos de porcentaje de dilución versus porcentaje de extracción de un punto, propuestos por Andrés Susaeta (2000). Como objetivo secundario se realizo un análisis de sensibilidad en cuanto a los parámetros de entrada que se incorporan en el calculo del índice de uniformidad planteado por Andrés Susaeta (2000), los cuales son el radio y los períodos de tiempos considerados para el calculo de tonelaje utilizado en la formula. Básicamente se analizaron los puntos desde el punto de vista de la uniformidad y desde el punto de vista de la Teoría Gravitacional (modelos de dilución), y se pretendió correlacionar los índices de uniformidad obtenidos para los puntos de extracción, con distintos radios y períodos de tiempo, con el comportamiento de los puntos de extracción en cuanto al modelo gravitacional. Finalmente se estimo cuales eran los parámetros de radio y período de tiempo, para el calculo del índice de uniformidad, que correlacionaran mejor con el comportamiento de los puntos de extracción. La mejor correlación entre los índice de uniformidad y la teoría gravitacional fueron obtenidos con parámetros de radio igual a 17 metros y períodos de tiempo de tres turnos, de 8 horas cada uno. Dado estos parámetros se analizo el comportamiento de los puntos de extracción desde el punto de vista de la uniformidad, semiuniformidad y desuniformidad, y se logro establecer que existe una gran relación entre la dilución y la forma de extraer el punto (uniforme, semiunifome y desuniforme). Un mejor conocimiento del índice de uniformidad conlleva a una mayor información respecto a la dilución y por consiguiente una mejora en los planes de producción y a optar por una mayor recuperación de las reservas.

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