Ingeniera Civil Química / Ingeniera Civil en Biotecnología / El manejo de relaves en Chile presenta problemas especiales y a veces únicos a nivel mundial. Es de obvio interés investigar la aplicabilidad de los análisis reofísicos a los relaves chilenos, ya que la posibilidad de encontrar interpretaciones justas, permite aclarar la Reología de estas suspensiones, básicas para la minería chilena. El presente trabajo de título es un estudio teórico dividido en dos secciones, enmarcado en Reología aplicada a relaves chilenos. La primera parte está dirigida al estudio de las interacciones intermoleculares predominantes dentro de un relave chileno. Coussot y Ancey (1999) desarrollaron un diagrama conceptual simplificado donde se detallan las interacciones predominantes en suspensiones concentradas cizalladas. El análisis de los números adimensionales de dicho diagrama, permite concluir que las interacciones predominantes en los relaves chilenos son de tipo friccional. En la segunda parte de esta memoria se estudia el comportamiento del modelo reológico propuesto por Larenas (2010). Este modelo se implementa computacionalmente, haciendo uso de la solución explícita de la ecuación constitutiva encontrada por Larenas para el método Vane. Se estudian los valores de los parámetros y variables adimensionales del modelo para un rango de concentraciones de sólido, además del comportamiento tixotrópico de los relaves mediante el test 3-ITT (3 Interval Thixotropy Test). La calidad del ajuste entre el modelo fenomenológico para el método Vane y las mediciones en los dos primeros intervalos del test resulta satisfactoria. El análisis del parámetro de estructura, el cual cuantifica el grado de estructuración del sistema y la evolución temporal del sistema, arroja que éste disminuye linealmente con la concentración de sólidos en los dos primeros intervalos. En el tramo C no se obtiene un ajuste satisfactorio del modelo y tampoco se aprecia una disminución lineal en el coeficiente de estructura.

Ingeniero Civil Mecánico / Los descansos hidrodinámicos son componentes que sirven de apoyo para ejes en maquinarias rotatorias sometidas a altas exigencias. El principio de funcionamiento se funda principalmente en una porción de eje sumergida en un film de aceite a presión, el cual sirve de soporte, lubricante y amortiguador para las grandes vibraciones a las cuales están sometidos. La dinámica de estas componentes es bastante compleja, dado el inestable comportamiento del film de fluido, pero es vital su comprensión para mejorar su desempeño y alargar su vida útil. La obtención de los parámetros de rigidez y amortiguamiento mediante prototipos experimentales resultan ser la mejor manera de simular la dinámica de éstas componentes para su diseño, pues modelos numéricos y analíticos, si bien arrojan resultados aproximados, no han logrado ser netamente confiables. Este trabajo consistió en el desarrollo de un método para identificar experimentalmente los coeficientes de amortiguamiento y rigidez de un descanso hidrodinámico mediante un método de modelamiento inverso basado en algoritmos genéticos. El sistema rotor se modela mediante el método de elementos finitos. A diferencia de otros métodos de optimización, los algoritmos genéticos son bastante más estables y si están bien definidos pueden converger al óptimo global. Los datos son adquiridos de un rotor experimental, el cual posee un descanso hidrodinámico con bomba de aceite y cuatro sensores de desplazamiento, usados para medir la respuesta del sistema a fuerzas externas ejercidas por dos excitadores electrodinámicos. Este montaje se encuentra en el Laboratorio de Sólidos y Vibraciones de la Facultad de Ciencias Físicas y Matemáticas de la Universidad de Chile. Para la obtención de los coeficientes del descanso, se varían distintos parámetros operacionales, como velocidad de rotación del eje, presión de aceite y magnitud y frecuencia de las fuerzas externas. Se obtuvieron resultados que mostraron tendencias interesantes. La rigidez y amortiguamiento del descanso varían con la velocidad de rotación del eje y con la presión. Se observa también que varían su comportamiento frente a la frecuencia de excitación. Donde no se percibieron tendencias claras fue para la variación de la magnitud de las fuerzas. En conclusión, con el método propuesto se logró determinar los coeficientes satisfactoriamente, mostrando claras tendencias y evolución de éstos bajo distintas condiciones de operación en el rotor y en el descanso.

Ingeniero Civil, Mención en Estructuras y Construcción / El gran tamaño de partículas de algunos materiales granulares gruesos dificulta la determinación de su resistencia al corte y características de deformación con ensayos geotécnicos de dimensiones convencionales. Esto es lo que motiva la utilización de técnicas de escalamiento de las muestras, como el método de gradación paralela también conocido como método de curvas homotéticas. Al hacer un escalamiento, es importante considerar el efecto de la rotura de partículas, ya que este es un fenómeno que controla el comportamiento de los materiales granulares. En este trabajo se aplica el método de gradación paralela en el análisis de la resistencia, compresibilidad y rotura de partículas de materiales quebrados del Proyecto Minero Chuquicamata Subterráneo (PMCHS). Para esto se ensayan 3 muestras tronadas de material grueso de PMCHS en el equipo triaxial de gran escala de IDIEM con probetas de 60 y 100 cm de diámetro. Estos resultados son comparados con ensayos triaxiales convencionales utilizando muestras de granulometría paralela asociadas a probetas de diámetro 5, 10 y 15 cm, sometidas a consolidación isotrópica entre 1 y 20 kg/cm2. Esta caracterización geotécnica se complementa con ensayos de densidad máxima y mínima y ensayos de compresión simple de partículas individuales. Los resultados de este estudio experimental indican que a través de las muestras escaladas es posible tener un buen acercamiento a la resistencia de la muestra gruesa (original). Sin embargo la rotura de partículas presenta una marcada diferencia entre las muestras escaladas y la muestra original, por lo cual se recomienda el uso de 3 muestras escaladas de diferente tamaño medio para así poder extrapolar la rotura de partículas de la muestra original.

Magíster en Minería. Ingeniero Civil de Minas / La geomecánica y planificación minera son áreas de la minería a cielo abierto íntimamente relacionadas, ya que las restricciones geomecánicas limitan al diseño minero y, así, los planes mineros factibles. El diseño y los planes mineros han de empujar los límites de lo que la geomecánica permite, para asegurar operaciones mineras competitivas y mantener un nivel de riesgo al personal y operaciones aceptable. Luego, se requiere del monitoreo geotécnico para adquirir datos de calidad que permitan un diseño minero de alto nivel. Sin embargo, la relación entre geomecánica y planificación minera no se extiende al diseño e implementación de programas de monitoreo. En general, los programas de monitoreo de deformaciones superficiales son diseñados con posterioridad al inicio de la operación del rajo y cuando se han identificado signos de inestabilidad en la superficie de los taludes. El monitoreo de deformaciones del subsuelo permite alertar sobre fallas en desarrollo semanas antes de que estas se hagan notar en superficie. Luego, se debería diseñar campañas de monitoreo de deformaciones del subsuelo durante el proceso de planificación minera, considerando el diseño minero en la instalación de instrumentos geotécnicos previo a la construcción de la mina. Lo que permitiría registrar el proceso de relajación del macizo a medida que la construcción progresa y adquirir datos más exhaustivos del comportamiento del macizo rocoso (antes que con monitoreo superficial), con el fin de optimizar el diseño de taludes futuros y adoptar medidas correctivas para evitar fallas. En esta tesis, fueron diseñadas una serie de campañas de monitoreo de deformaciones del subsuelo usando In-Place Inclinometers, ShapeAccelArrays y Networked Smart Markers (NSMs) como equipos de monitoreo. Las opciones fueron aplicadas a una mina teórica desarrollada como parte de la tesis y comparadas en términos de costos, cantidad y calidad de los datos recopilados. Los resultados indican a la opción de NSMs cada 2[m] como la más eficiente en cuanto a costos ya que: (1) presenta el menor costo por unidad de datos adquiridos (US$57.21) y (2) 5 veces mayor vida útil, lo que permitiría obtener el doble de datos que la siguiente mejor opción, (3) se financia con un aumento de 2° en el ángulo de talud y (4) aumenta el VAN del proyecto en 3.2%. / Open pit geomechanics and mine planning are two closely related areas in the development of an open pit mine since geotechnical constrains limit the possible mine designs and, thus, the feasible mine plans. Mine designs and plans have to push the limits of what rock mass geomechanics allow to assure competitive mine operations, while maintaining acceptable levels of risk to operations and personnel. Therefore, geotechnical monitoring programs are required to acquire good quality data to be used as input for mine design. However, the relation between geomechanics and mine planning does not extend to monitoring programs design and implementation. Generally, surface deformation monitoring programs are designed after the project is in operation and signs of slope instability have been identified on the surface. Subsurface deformation monitoring can alert about developing failures weeks before any sign of instability is noted on the surface. Therefore, subsurface deformation monitoring campaigns should be designed along the mine planning process and considering the mine s design to install geotechnical instrumentation prior to the construction of the slopes. This methodology would allow to register the rock mass relaxation process as construction progresses and to acquire more comprehensive data about rock mass behaviour, in advanced of surface monitoring, towards future slope design optimization and adoption of remedial measurements to avoid failure. In this thesis, a series of subsurface deformation monitoring campaign were designed using In-Place Inclinometers, ShapeAccelArrays and Networked Smart Markers as monitoring devices. All options were applied to a theoretical open pit developed as part of this work. The campaigns were compared in terms of cost, quantity and quality of gathered data. The results showed that the campaign using NSMs installed every 2 meters was the most cost-efficient option as it represented: (1) the lowest cost per unit of gathered data (US$57.21), (2) five times longer lifespan, which allowed to gather twofold the amount of data compared with the next best option, (3) be financing of the campaign through steepening of the slopes by 2° and (4) increase in project s original NPV by 3.2%.

Los materiales granulares se definen como sistemas compuestos de un gran número de partículas macroscópicas que interactúan entre sí de forma disipativa. Al ser sistemas disipativos alcanzan rápidamente el equilibrio mecánico y permanecen en él a menos que se les entregue energía mediante alguna perturbación externa. Tienen la propiedad de permanecer mecánicamente estables en un amplio rango de configuraciones, y estas configuraciones pueden presentar diferentes valores de densidad, estrés, etc. Se ha demostrado que aplicando repetitivamente perturbaciones discretas a un sistema granular confinado en una celda o recipiente, y dejando que el sistema retorne al equilibrio mecánico entre perturbaciones sucesivas, las propiedades correspondientes a cada configuración estática del mismo evolucionan hasta alcanzar un régimen estacionario, con valores medios y fluctuaciones bien definidos. Se ha mostrado también que los valores alcanzados por estas propiedades en el régimen estacionario no dependen de la historia previa que hayan recorrido en el espacio de variables macroscópicas del sistema, sino que resultan determinadas a partir de las características de la perturbación aplicada. La posibilidad de generar estados estacionarios en las configuraciones estáticas de los materiales granulares ha despertado gran interés en distintos grupos de investigación alrededor del mundo. Estos enfocan sus esfuerzos en intentar establecer un marco teórico que permita describir el estado macroscópico de los sistemas granulares a partir de unos pocos parámetros. La propuesta más discutida en la actualidad se basa en la utilización de herramientas de la mecánica estadística y es conocida como la mecánica estadística granular de Edwards. Para llevar adelante este tipo de propuestas resulta indispensable establecer primero bajo qué condiciones es posible reproducir el estado macroscópico de un sistema granular. Mi trabajo de tesis se enfoca en el estudio de la reproducibilidad de las propiedades macroscópicas estructurales y mecánicas de estos materiales en el estado estacionario. Para esto he estudiado la dependencia de estas propiedades con el tamaño del sistema. Este estudio resulta de interés debido a que todos los trabajos existentes en el área, experimentales y numéricos, no obtienen un acuerdo cuantitativo en los resultados, aunque muestren acuerdo en gran parte de su comportamiento cualitativo. La hipótesis central de esta tesis es que el tamaño de la muestra bajo estudio tiene un efecto significativo no trivial en los valores medios y fluctuaciones de cantidades macroscópicas, como la fracción de volumen ocupado y el estrés. El objetivo de esta tesis es entonces elucidar bajo qué condiciones es posible reproducir cuantitativamente resultados obtenidos en experimentos independientes, donde se producen estados estacionarios de configuraciones estáticas con diferentes tamaños de sistemas. Como resultado de este trabajo implementamos un protocolo de medición, sobre regiones específicas del sistema. Con la implementación de este protocolo, seremos capaces de obtener resultados comparables entre sistemas de diferentes tamaños. A partir de esto, encontramos que es posible definir un parámetro que, caracterizando el efecto que la perturbación aplicada induce sobre el sistema, permite predecir el valor alcanzado por la densidad en el estado estacionario. El parámetro propuesto resulta dependiente de la altura de la columna de granos del sistema y de las características propias de la perturbación. También encontramos que un parámetro similar podría ser definido para predecir el valor del estrés en el estado estacionario. El aporte original de este trabajo reside en establecer los criterios para seleccionar la región donde llevar adelante la medida de las cantidades macroscópicas que caracterizan al sistema y definir los métodos que deben utilizarse para que resulte posible la comparación cuantitativa de resultados obtenidos en sistemas de diferentes tamaños.

El biodiesel es un combustible preparado en base a aceites vegetales, grasas animales, o desperdicios de aceites los cuales se hacen reaccionar con metanol o etanol para convertir las grasas triglicéridos en metil o etil ésteres vía transesterificación. Las características de este combustible lo hacen apropiado para funcionar en motores de ignición por compresión. En la actualidad el biodiesel se plantea como una alternativa o un complemento al diesel para los vehículos pesados, siendo entonces necesario establecer políticas para su producción y utilización en bases a los efectos que pueda tener en los vehículos. La presente investigación tiene como objetivo determinar el efecto de la utilización de distintas mezclas de biodiesel sobre las emisiones de vehículos pesados. Para llevar a cabo la investigación se realizaron mediciones de los niveles de contaminantes críticos: hidrocarburos (HC), óxidos de nitrógeno (NOX), monóxido de carbono (CO), material particulado (MP) y dióxido de carbono (CO2). Estas se efectuaron sobre 2 tipos de camiones (con norma y sin norma de emisiones); con 2 tipos de biodiesel (raps y aceite refrito) y 2 porcentajes de biodiesel en la mezcla (5%, y 10%). Los ensayos se realizaron siguiendo la fase rural y la fase urbana del ciclo transiente de conducción europeo FIGE-ETC, sobre un dinamómetro de chasis para vehículos pesados. Para los dos camiones y los dos tipos de biodiesel, las emisiones de NOX aumentaron entre 4% y 5%, para una mezcla al 10% de biodiesel, siendo este aumento mayor para el biodiesel de aceite refrito. Así mismo, en todos los casos el material particulado presentó reducciones entre un 20% y un 50%. CO presentó reducciones sólo para el camión con norma Euro II, mientras que para el camión sin norma no presentó tendencias definidas. Tanto NOX como MP y CO se comportaron de forma similar a lo reportado en la literatura, mientras que HC ni CO2 mostraron tendencias de cambio en sus emisiones. En conclusión, es posible utilizar una mezcla de diesel hasta con 10% de biodiesel, teniendo únicamente efectos negativos en las emisiones de NOX, las cuales pueden ser tratadas modificando el tiempo de inyección; con efectos positivos en las emisiones de material particulado y en algunos casos en las emisiones de CO; y sin efectos importantes en el resto de los contaminantes.

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Magíster en Ciencias de la Ingeniería, Mención Mecánica / Ingeniero Civil Mecánico / Las variables físicas de suelos parcialmente saturados son poco conocidas y utilizadas en experiencias de lixiviación de minerales. El propósito de este trabajo consiste en analizar el comportamiento hidrodinámico al interior de columnas de lixiviación a través de simulaciones en SVFlux y experiencias en laboratorio, evaluando las principales variables de suelos parcialmente saturados para un mineral de óxidos de cobre con características similares a las observadas en pilas de lixiviación, para luego proponer un modelo matemático para estimar el proceso de saturación. Los parámetros y variables del suelo son estimados a partir de ensayos en laboratorio y ecuaciones empíricas reportadas en literatura, destacando entre éstas la obtención de la curva de retención de agua (SWCC) a partir de la curva de distribución de tamaño de partícula (PSD). Las experiencias en laboratorio consisten en la lixiviación y caracterización del mineral de cobre. La lixiviación se realiza en columnas de vidrio de diámetros de 20, 40 y 80 mm, con igual altura y tasa de riego, utilizando condiciones externas similares a las encontradas en pilas a nivel industrial. El monitoreo consta de mediciones periódicas de la capacidad de retención observada para cada columna. Las simulaciones realizadas integran los parámetros obtenidos experimentalmente en búsqueda de tener resultados similares a los conseguidos en el laboratorio. Las experiencias en laboratorio muestran que la saturación en columnas se lleva a cabo de forma longitudinal y transversal a éstas, teniendo un proceso de saturación asintótico que logra un máximo similar entre columnas en el que solo difieren en el tiempo en alcanzar dicha condición, siendo éste menor para columnas de menor diámetro. Las simulaciones realizadas muestran valores cercanos a los obtenidos experimentalmente pero con menores tiempos en alcanzar dicha condición, donde no es posible observar el efecto del diámetro de columna observado experimentalmente. El rango de succiones registradas en simulaciones muestra que el proceso de lixiviación observado ocurre en una zona de la curva SWCC distante a las condiciones de un suelo saturado. El modelo propuesto para la saturación muestra un buen ajuste tanto para resultados experimentales como computacionales.

Ingeniero Civil de Minas / Magíster en Minería / En una serie de problemas de diseño relacionados con la mecánica de rocas tales como: la estabilidad de caserones y pilares, galerías, dilución de vetas, entre otros, se asume que el esfuerzo principal intermedio (σ2) no tiene impacto alguno en el diseño. En la literatura se ha comprobado que σ2 tiene varias implicancias en el comportamiento de la roca intacta y por ende podría influenciar en las decisiones del diseño minero En base a lo descrito anteriormente, el objetivo de esta tesis es desarrollar, calibrar, verificar y establecer los alcances de un modelo de elementos discretos basado en la mecánica de partículas que permita simular el comportamiento triaxial verdadero de la roca intacta. Para esto se utiliza el modelo Enhaced Bonded Particle Model disponible en el software Particle Flow Code 3D (PFC3D). En primera instancia se calibra y verificar el desempeño del modelo con respecto a datos disponibles en la literatura de ensayos triaxiales convencionales (σ2 =σ3) para la roca Westerly Granite. Una vez calibrado el modelo se procede a simular ensayos triaxiales verdaderos (σ2≠ σ3) de manera de evaluar el desempeño cualitativo y cuantitativo ante este tipo de solicitaciones. Los resultados de esta tesis indican que el modelo creado en PFC3D se ajusta de buena manera a los resultados experimentales tanto para el caso convencional como los verdaderos. En el primer caso los errores porcentuales entre los datos simulados y los de laboratorio son en promedio menores al 10%, obteniendo para el caso del módulo de Young una diferencia de un 1% y para los umbrales de daño un 10%. Para el caso de los ensayos triaxiales verdaderos se tiene que la diferencia entre el esfuerzo peak de los ensayos de laboratorio y los simulados son en promedio 14%, un 3% para el caso del Módulo de Young, un 8% para los valores del inicio de la dilatancia (σcd). Si bien los datos disponibles en materia de ensayos triaxiales verdaderos son escasos, se tiene que los resultados de PFC3D siguen las tendencias esperadas. También se tiene que PFC3D se adapta de buena forma a los criterios de falla no convencionales, especialmente al criterio modificado de Lade, en donde las diferencias en los valores de la envolvente de falla son menores al 10%. Además, se ratifica que el esfuerzo principal intermedio tiene implicancias en el comportamiento de la roca, tales como la resistencia peak y los umbrales de daño, y por lo tanto en una serie de problemas del diseño minero. Sin embargo, el modelo presenta limitaciones representando el comportamiento post-peak y la razón de Poisson, las cuales no pueden ser ajustadas debido a que no se puede obtener al mismo tiempo valores razonables de estos y un comportamiento frágil. Por lo tanto es necesario comprobar el modelo con versiones futuras de PFC3D que permitan solucionar estos problemas o simplemente, utilizar otros modelos. Este estudio abre el paso al análisis de problemas en minería los cuales hasta el momento no eran abordados, ya que de poder simular el comportamiento de la roca intacta y posteriormente incluir las discontinuidades al modelo, se podrían simular problemas a escala de macizo rocoso de una forma más real.

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.