Memoria para optar al título de Ingeniero Civil de Minas / 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 el plantear una metodología capaz de predecir las características de flujo de materiales compuestos por finos y gruesos, y con presencia de humedad bajo confinamiento, en un modelo escalado, con tal de replicar el estado de esfuerzos presente en minas de block/panel caving. La fluidez del material puede ser cuantificada por medio de las colgaduras observadas en los puntos de extracción de una mina, al igual que en el 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. 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 con un material no cohesivo, el cual sería el caso del modelo, pudiéndose así escalar los esfuerzos presentes en una mina. Los experimentos realizados utilizaron mineral con la granulometría esperada de Chuquicamata Subterránea escalada a 1:75, con y sin carga vertical, probando distintas presencias de finos (0, 20 y 40 [%]) y viendo el efecto de la humedad. 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.

Magíster en Minería / 30/05/2021

Ingeniero Civil de Minas / En minería de hundimiento, el movimiento del material fragmentado a lo largo de la columna de mineral, impacta directamente sobre la recuperación y dilución, afectando así el negocio minero. Con la intención de aumentar las tasas de recuperación de mineral y disminuir las tasas de dilución, se desarrollan simuladores que buscan predecir el comportamiento del flujo para servir como una herramienta complementaria para el diseño y la planificación de la mina. En este contexto se presenta FlowSim 1.0, un simulador de flujo gravitacional basado en autómatas celulares y desarrollado en lenguaje Matlab. Debido a la lentitud en los procesos y a la poca capacidad en el manejo de datos, el algoritmo se transcribe a C++ (FlowSim 2.0), un lenguaje computacional más potente. El presente trabajo busca desarrollar FlowSim 3.0 con el objetivo de mejorar la capacidad de predicción del ingreso de dilución en puntos de extracción. Para lo anterior, se implementa un mecanismo llamado flujo preferencial y se propone un algoritmo para la predicción de colgaduras en bateas. El mecanismo de flujo preferencial busca representar la tendencia del flujo gravitacional de privilegiar zonas de menor calidad. Por esto, también es posible representar la mayor capacidad de movimiento que poseen los fragmentos finos en la columna de mineral (migración de finos). La implementación del flujo preferencial considera la escritura del código, su indexación a FlowSim 3.0 y análisis de resultados de simulaciones. Los resultados de las simulaciones permiten determinar que el mecanismo de flujo preferencial es implementado de manera exitosa, ya que se observa una mayor preferencia del flujo en privilegiar zonas de menor calidad. Además, la implementación del mecanismo en FlowSim 3.0 permite reproducir de manera consistente las hipótesis realizadas por Laubscher (1994) en el ingreso de dilución producto de la variación del espaciamiento entre puntos de extracción y del grado de heterogeneidad del material presente en la columna de mineral. Por último, se concluye que el mecanismo de flujo preferencial implementado tiene el potencial de representar de mejor forma el comportamiento del flujo gravitacional, ya que ayudaría a mejorar la capacidad de predicción del ingreso de dilución, sin embargo, es necesario un proceso de calibración y validación del simulador. La propuesta para el algoritmo de predicción de colgaduras considera sólo la escritura y su indexación en FlowSim 1.0 para una posterior implementación real en su versión 3.0. El algoritmo es creado con la finalidad de conocer el número de eventos de colgadura que se pueden producir en un punto, al extraer una cantidad determinada de mineral. Este dato es muy valioso para las faenas mineras ya que tienen la posibilidad de mejorar la planificación minera, conocer el porcentaje de área disponible para la producción, determinar el impacto en el flujo gravitacional debido a la interrupción del tiraje programado, distribuir de mejor forma a las cuadrillas de descuelgue y enviarlas a zonas que presenten mayor cantidad de colgaduras, entre otras cosas. El algoritmo está basado en el uso de curvas estimativas de frecuencia de colgaduras construidas a partir de resultados experimentales de flujo confinado. La poca cantidad de curvas existentes produce una nula o poca variabilidad en los resultados simulados, por lo tanto es necesario replicar estos experimentos para la construcción de nuevas curvas y obtener resultados más representativos.

Magíster en Minería / Ingeniero Civil de Minas / En la actualidad, las herramientas utilizadas para el diseño de caserones en minería subterránea por Sublevel Stoping (SLS) que han ganado mayor aceptación son las de carácter empírico. Estas herramientas permiten incorporar implícitamente las condiciones de sitio, pero a su vez su uso está restringido por la extensión de la base de datos utilizada para su construcción. El objetivo de esta tesis es calibrar y verificar un criterio capaz de representar la cantidad de sobre excavación de paredes en el modelamiento numérico de caserones abiertos. Este trabajo se encuentra dentro del proyecto INNOVA CHILE-CORFO 11DL2-10630 cuyo objetivo es desarrollar herramientas de diseño para minería subterránea selectiva en Chile. La metodología se dividió en dos etapas: procesamiento de casos históricos y modelamiento numérico en FLAC3D. En la primera etapa, se recolecta y unifica una base de datos con 582 casos históricos de SLS procedentes de Canadá y Australia. Esto permitió desarrollar un modelo empírico actualizado para la estimación de sobre excavación de paredes. El nuevo modelo presenta una mejor correlación estadística y un mejor desempeño en la clasificación de los casos históricos que los modelos disponibles actualmente en la literatura. En la segunda etapa se realiza modelamiento numérico de la información determinada de la base de datos. Se concluye que los criterios tradicionalmente utilizados en la literatura para estimar sobre excavación en el modelamiento numérico presentan un mal desempeño. Ningún criterio logra representar la sobre excavación hallada con el modelo empírico actualizado. El bajo desempeño se explica dado que los criterios que incorporan la calidad de macizo rocoso, lo hacen a través de la resistencia a la tracción que subestima la sobre excavación percibida. La discretización del nuevo modelo permitió modelar 408 casos cuya información determinó un nuevo criterio. Basado en la magnitud del esfuerzo principal menor (σ3 [MPa]), se define como combinación lineal en base logarítmica del radio hidráulico de la pared (HR [m]) y de la calidad de macizo rocoso de Barton (Q ). El criterio prueba tener buena correlación con los datos empíricos, sin embargo subestima la sobre excavación según la validación. Tanto el modelo empírico como el criterio para el modelamiento numérico pueden ser utilizados como herramientas de apoyo al diseño conceptual de caserones abiertos sin ingreso de personal. Dado que ambos fueron calibrados con información de Canadá y Australia, exhiben propensión hacia sus propias condiciones de sitio que difieren de las Chilenas. Lo anterior abre la posibilidad a replicar la metodología presentada, y recalibrar los modelos en la medida que se disponga de una base de datos nacional.

Ingeniero Civil de Minas / Uno de los problemas que ha afectado durante los últimos años a la División El Teniente (DET) es la acumulación del material generado por la excavación de los túneles (marinas) en las galerías de los distintos sectores al interior de la mina subterránea. Una de las causantes principales es que, pese a que la marina está considerada en los planes de producción de la DET, ésta no se integra en el manejo de materiales operacional debido a que la operación de producción privilegia el vaciado de mineral de los puntos de extracción, reduciendo la disponibilidad de sistemas de traspaso para el vaciado de marina. La acumulación de marinas impacta negativamente en la calidad ambiental de la mina y en los rendimientos de la operación, debido al aumento en la resistencia a los flujos de aire y por la menor disponibilidad de rutas de transporte, respectivamente. Lo que provoca un costo económico asociado. Otras minas explotadas por block/panel caving toman la opción de separar completamente o parcialmente el sistema de manejo de las marinas del mineral, evitándose las interferencias causadas por compartir facilidades de extracción. En base a este antecedente se determinó que una de las soluciones a ser evaluada es diseñar un sistema de manejo exclusivo para las marinas, proponiendo evacuarlas de la mina por los ADITs de extracción de aire viciado hacia el acopio del Rajo Sur. Se realizó un diseño que apunta a tener puntos de vaciado propios para las operaciones de excavación de túneles, ubicados en las orillas del footprint y que se acercan a las labores de preparación. El CAPEX en este nuevo sistema alcanza $2.25 MUSD siendo menor comparativamente al gasto realizado en re manejo de marina en el 2015. Por otra parte, el costo unitario de transporte en el nuevo sistema está entre los 16-25 USD/ton. La evaluación indica que transportar toda la marina por el sistema alternativo es más caro que lo planificado, pero utilizar el sistema alternativo para dar flexibilidad al sistema actual es una opción factible en el corto plazo para eliminar las interferencias que ocurren en la operación y, por lo tanto, asegurando una entrega de área eficiente para la extracción de mineral.

Memoria para optar al título de Ingeniera Civil / Ante la necesidad de explotar cuerpos mineralizados ubicados en profundidad, la industria minera ha implementado una serie de métodos masivos para la extracción subterránea. Entre éstos, el Block Caving supone uno de los más utilizados debido a su alta efectividad y bajo costo operacional. Sin embargo, debido a las condiciones que genera el método extractivo en el macizo rocoso, la ocurrencia de bombeos de barro al interior de las minas se constituye en un peligro inherente. Los bombeos de barro consisten en una entrada súbita de una mezcla de material fino y agua al nivel de producción proveniente desde el cuerpo mineralizado superior. Esto tiene como resultado la colmatación de túneles de producción junto a la pérdida de maquinaria e infraestructura, y el consecuente peligro para la vida de los trabajadores al interior de la mina. Por lo anterior y, en consideración de que el agua es el principal movilizador del material fino en estos sistemas extractivos, resulta de especial interés estudiar uno de los posibles mecanismos de flujo por los cuales se generarían los bombeos de barro. De esta forma, este trabajo de título contempla el desarrollo de un modelo hidrogeológico conceptual y numérico para evaluar la hipótesis de que los bombeos se generarían cuando una zona de mayor permeabilidad que se propaga de forma ascendente dentro de otra zona de roca fracturada relativamente impermeable, alcanza un acuífero superior originalmente aislado o bien sujeto a un drenaje gravitacional mínimo. Mientras el modelo conceptual plantea la hipótesis del mecanismo de generación de los bombeos, el modelo numérico busca evaluar qué combinación de propiedades hidráulicas y geométricas para las diferentes zonas de roca, deben coexistir para propiciar el drenaje súbito del acuífero y alcanzar un caudal representativo de estos eventos; este último fue estimado a partir de las condiciones resultantes en un evento real al interior de una mina. El modelo numérico se construyó mediante el software COMSOL Multiphysics. Las simulaciones mostraron que, si el mecanismo de generación es el planteado, se requeriría del desarrollo de vías de flujo preferencial en la zona de mayor permeabilidad, cuyas características difieren de las de un medio poroso clásico. Por su parte la zona fracturada original debe ser prácticamente impermeable para evitar su drenaje natural. Las simulaciones también indicaron que, frente al desarrollo de vías de flujo preferencial, la ecuación de Brinkman entrega caudales menores que la Ley de Darcy utilizada fuera de su rango de validez.

Memoria para optar al título de Ingeniero Civil de Minas / Los métodos de explotación por hundimiento son una de las mejores opciones para la extracción de yacimientos masivos a bajo costo. Una principal exigencia, es asegurar la continuidad operacional de la extracción. Para esto se deben tener en cuenta aquellos riesgos que puedan repercutir en el aspecto económico, como es el caso de las interferencias operacionales que disminuyen la productividad y obligan a incurrir en costos adicionales; tal como ocurre en el caso de formación de colgaduras, que interrumpen el flujo normal de mineral en los puntos de extracción, no permitiendo que estén disponibles y forzando a aplicar técnicas de reducción secundaria para reestablecerlos. El objetivo general de este estudio, es desarrollar una herramienta a través de una metodología estadística que permita generar modelos mediante la técnica denominada de regresión logística binaria, cuya motivación consiste en generar predicciones de colgaduras posibles de incorporar a los años posteriores en aspectos de planificación y diseño. La base de datos está basada en información proveniente de dos bloques pertenecientes a la faena minera Cadia East de Newcrest en Australia. Del análisis realizado a los bloques PC1S1 y PC2S1, se obtiene que la fragmentación de PC1S1 es fina en comparación de la mayoría de las minas que se conocen a nivel mundial respecto al uso de técnicas de preacondicionamiento, y se traduce en un comportamiento diferente en términos de colgaduras. Además, PC1S1 posee un caving maduro conectado a superficie, mientras que el PC2S1 aún no lo ha hecho, y se espera una disminución de la fragmentación y colgaduras cuando ocurra la conexión. El estudio analizó varios sets de variables para representar el fenómeno en cuestión, sin embargo, aquellas que demostraron ser representativas y que a la vez no eran redundantes respecto a las demás corresponden a la extracción, uniformidad y RMR. Basado en las variables seleccionadas se realizaron modelos de colgaduras para ambos bloques obteniendo aciertos globales de 54% y 60% para PC1S1 y PC2S1 respectivamente. De lo anterior, cabe señalar que el acierto de PC1S1 es bajo y no se recomiendan pronósticos de colgaduras sobre el footprint, mientras que si es posible ejecutarlo sobre PC2S1 (según confiabilidad esperada para el modelamiento según etapa del proyecto, Tabla 38). De cada modelo, se obtiene que un incremento en las variables de extracción y uniformidad reflejan una disminución del índice de colgaduras (eventos/1,000 t). De modo contrario, para mayores valores de la variable RMR, el índice de colgaduras se incrementa. Haciendo uso del modelo para PC2S1, se establece un pronóstico de las zonas del footprint que se verán mayormente afectadas, y es que desde un comienzo el sector de mayor riesgo estuvo en el centro, se espera que se traslade hacia el este para finales del año 2018, concentrando el mayor porcentaje de área afectada por colgaduras/área activa en las calles de producción de 212 a 232.

En la minería subterránea el manejo de minerales es una de las actividades más incidentes en la productividad y el costo de operación de la mina, principalmente por la gran cantidad y variabilidad de recursos involucrados. Es por esto que, en los últimos años, gran parte de las innovaciones tecnológicas apuntan a esta actividad. A medida que las operaciones mineras mediante block caving se han ido profundizando, se ha encontrado con la presencia de rocas más competentes, conocidas localmente como roca primaria, caracterizada por resultar en una granulometría mayor con respecto a la roca secundaria. Esto ha generado un impacto negativo en la productividad de los sectores productivos. Por estas razones, la motivación de este trabajo de título fue buscar una mejora de los parámetros productivos mediante el uso de un transportador de cadenas o Panzer. Se plantearon diseños que consideran su uso en un nivel de acarreo, alimentado por equipos discretos LHD´s mediante un pique de traspaso de corta longitud. Para ello, fue necesario desarrollar una metodología para determinar el diseño óptimo para una capacidad productiva determinada. Así, se obtuvieron diferentes diseños geométricos para distintas capacidades de LHD, determinados por el número y longitud de calles relacionadas a un Panzer, y el largo necesario del equipo Panzer. Ya una vez con los diseños, se pudo evaluar teóricamente la capacidad productiva, obteniéndose valores de rendimiento de palas sobre 300 tph y velocidades de extracción por sobre los 2,0 (t/m2d), dependiendo de algunos factores como la disponibilidad, utilización, el diseño de malla de extracción y de la capacidad del equipo LHD. Para poder aumentar la productividad de las palas LHD fue necesario optar por diseños con longitudes de calles de producción cortas, en torno a los 50 (m), minimizando así la distancia media de acarreo. En otras palabras, se transfiere gran parte de la labor de acarreo de minerales de las palas al Panzer. La distancia media de acarreo de las palas se puede considerar como una condición para obtener los diseños LHD-Panzer. La confiabilidad de los diseños, desarrollado en un capítulo anexo, muestra que es improbable llegar a la meta productiva bajo índices productivos altos de rendimiento de palas y velocidad de extracción. Luego, para mejorar la productividad no solo basta con mejorar los diseños, sino también todas aquellas actividades, como el cachorreo y la fortificación por mencionar algunos, que son complementarias en la actividad minera.

Ingeniero Civil de Minas / La micro-sismicidad que se genera en las etapas de desarrollo y producción en el contexto del método de explotación minera mediante Panel Caving, puede ocasionar grandes pérdidas en la producción como también poner en riesgo la seguridad de los trabajadores. La redistribución de esfuerzos puede provocar la activación de alguna falla principal cercana a la zona de producción, generando micro-sismos que pueden afectar directamente al frente de avance en el nivel de socavación. El presente trabajo de título busca generar las primeras directrices para el desarrollo de modelamientos más complejos con un algoritmo de hundimiento desarrollado recientemente por el grupo consultor internacional Itasca. Lo anterior se hizo mediante el modelamiento de un caso estudio conceptual, consistente en estudiar la potencia sísmica que genera la activación de una falla principal ante el avance del proceso de hundimiento utilizando el software de modelamiento numérico 3DEC. Se realizó un análisis de sensibilidad a las variables características de la falla principal: manteo, dirección de manteo, cohesión, fricción y rigidez. El proceso fue aplicado a un caso base con sólo socavación y posteriormente en un caso activando el algoritmo hundimiento; finalmente se realiza una comparación de dos estrategias de extracción para ver su efecto en la potencia sísmica. Los resultados obtenidos mostraron que en el caso base un GSI menor en el macizo rocoso circundante implicó un aumento en el potencial sísmico, generando micro-sismos de mayor magnitud dado que el macizo era más deformable. Existe un efecto contrario cuando hay hundimiento, ya que al ser más deformable el macizo, la cavidad se propaga más rápido intersectando antes a la falla y disminuyendo los niveles de potencia sísmica. Tanto en el caso base como en el caso con hundimiento, modificaciones en la cohesión y la rigidez de la estructura no ocasionaron una variabilidad significante en los niveles de potencia sísmica. No así la fricción, que al ser menor implicó un aumento en la sismicidad. Finalmente se compararon dos planes de producción de los cuales resultó más favorable, es decir con menor potencia sísmica, aquel que retrasa el desarrollo del frente de producción respecto de la intersección de la socavación con la falla analizada. / The seismicity that occurs in mine development and production stage in the context of the Panel Caving method, can induce significant economic losses in production as well as putting the safety of worker at risk. The stress redistribution can cause an activation in a major fault near production zone, generating seismic events that may directly affect the zone of development in the undercut level. This study seeks to generate initial guidelines to the development of more complex numerical model applying a caving algorithm developed by the international consulting group of Itasca. This was done by modeling a conceptual study, about studying seismic potency that generate the principal fault’s activation in the face of caving propagation using the 3DEC numerical modeling software. It has been made a sensibility analysis to the characteristics variables of a major fault: dip, dip direction, cohesion, friction angle and stiffness. The process was applicate to a base case only with undercut level and then a case activating the caving algorithm; finally, it is performed a comparison between two mining strategies to seek their effect on seismic potency. From the results the base case with less GSI in the rock mass, the seismic potency was higher than the case with major GSI, generating micro-seismic events with a high magnitude because the rock mass was more deformable. There is a counter effect when caving exist, because the rock mass being more deformable, the caveback has a higher propagation intersecting before the principal fault and decreasing seismic potency levels. Both, base case and caving case, modifications in cohesion and stiffness of the structure have not significant variability in seismic potency’s levels. Not like friction, that a minor value caused a higher seismic events. Finally, it has been compared two mining plans these results more favorable, that is with a low seismic potency, the plan that delayed the development of the production front in respect of the intersection of the caveback with the analyzed fault.

Ingeniero Civil de Minas / A medida que las operaciones mineras subterráneas se han ido profundizando, se ha encontrado roca más competente clasificada como roca primaria, la cual origina una granulometría más gruesa en comparación a la roca secundaria. Esto ha impactado fuertemente al manejo de minerales y ha afectado la productividad y costos de operación. Debido a esto gran parte de los avances tecnológicos de las últimas décadas han apuntado a esta actividad, principalmente a utilizar equipos más robustos que permitan manejar colpas de gran tamaño. Si se considera que la fragmentación es uno de los parámetros más influyentes en el éxito y rendimiento de una operación, parece lógico enfocarse en este aspecto e invertir en fragmentar el macizo con el fin de obtener una granulometría extraíble más fina (P100<72 cm, P80< 30 cm). Sin embargo, tampoco existe una referencia reciente del diseño de un sistema de manejo de minerales que permita aprovechar esta característica de manera óptima. Es por esto en este trabajo se propone tres alternativas de diseño, de las cuales se selecciona la mejor en base a argumentos técnicos y económicos, para finalmente compararla con una explotación convencional de Block Caving y determinar así cual es el margen económico disponible para gastar en fragmentación. Se genera tres alternativas tomando como base de diseño un módulo de 90 m x 80 m, con cuatro galerías de producción y nueve galerías de zanja y buscando alcanzar una tasa de extracción objetivo de 2 [ton/(m^2 día)]. Los dos primeros diseños se basan en un sistema de manejo de minerales gravitacional mediante piques de traspaso, buzones alimentadores y camiones. La tercera alternativa se plantea como un diseño más tecnológico, que propone una mayor continuidad de la operación y una potencial automatización total. Consiste en equipos alimentadores diseñados específicamente en este estudio, los cuales vacían el mineral desde el punto de extracción a un transportador continuo de cadenas que descarga sobre un triturador de bajo perfil tipo sizer. Luego de reducir su tamaño, el mineral es traspasado por piques al Transporte Intermedio, donde una correa transportadora lo lleva al Transporte Principal. Después de realizar la comparación técnica y económica se elige la Alternativa III como la mejor opción, debido principalmente a que su gasto más intensivo es en equipos, los cuales pueden ser reinstalados en otro módulo una vez terminada la explotación. Esta ventaja es importante considerando que cada módulo tiene una duración de 7 meses y se ve plasmada en un menor VAC al considerar un horizonte de explotación de 10 años. Otra ventaja que posee es que al implementar una automatización total del proceso se aumenta la seguridad de los operadores (al sacarlos del contacto directo con la explotación) y se disminuye los tiempos muertos, favoreciendo con ello la productividad. Finalmente se obtiene que al comparar la Alternativa III con una explotación convencional mediante Panel Caving, se tiene un margen del 36% del CAPEX total para invertir en fragmentación, ganando entonces la oportunidad de facilitar la operación, aumentar la tasa de extracción y disminuir los tiempos de retorno de la inversión.