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 Industrial / En la actualidad, el Proyecto Mina Chuquicamata Subterránea (PMCHS) es uno de los pilares para el futuro de la Corporación del Cobre de Chile (CODELCO), el cual contempla la construcción de una mina subterránea masiva bajo el rajo actual, explotada por hundimiento de bloques, para extraer alrededor de 1.760 millones de toneladas de mineral de cobre con una ley media de 0,71%. Si bien es cierto, el proyecto contempla el uso de varias tecnologías que tienen como objetivo aumentar la eficiencia de la mina, las características intrínsecas del método de extracción provocarán la aparición de interferencias que mermarán la producción. Por lo mismo, en esta memoria se evaluó el uso de alternativas que puedan ser implementadas en los procesos de reducción secundaria, los cuales darán solución a las interferencias que causarán mayores pérdidas productivas y serán altamente riesgosas para los operadores. Estos procesos corresponden al descuelgue de zanjas y a la fragmentación de rocas con sobre tamaño. El objetivo del trabajo fue diseñar estos procesos en pos de aumentar la productividad y minimizar tanto los costos operacionales como el riesgo al cual se expondrán los operarios. La metodología consistió en recopilar, construir y detallar un set de potenciales alternativas para ambos procesos de reducción. Luego, se procedió a realizar una evaluación cualitativa, con la ayuda de expertos en el tema, con el objetivo de determinar cuáles son los criterios de mayor importancia a la hora de definir los procedimientos de reducción secundaria. Tras ello, las alternativas fueron evaluadas cuantitativamente a través de un método de comparación económico, considerando costos de capital y operacionales. Con las evaluaciones anteriores, se propone el uso de descolgadores telescópicos y martillos móviles para la reducción secundaria, pues son opciones que muestran altos niveles de seguridad y los mejores indicadores económicos, con costos de 14,02 [cUS$/kton] y 4,09 [cUS$/kton] respectivamente. Para ambas alternativas, se logró proponer un diseño de procesos, detallando los procedimientos y responsables de cada actividad, cumpliendo con los objetivos propuestos al inicio del trabajo. Finalmente, este análisis servirá como antecedente para la elaboración de los procedimientos definitivos que serán usados en la mina.

Memoria para optar al título de Ingeniero Civil de Minas / La minería subterránea masiva es cada vez más frecuente debido al agotamiento de las reservas mineras de superficie. En particular, la profundización en yacimientos explotados por métodos de block/panel caving incrementan las condiciones de esfuerzos bajo las cuales se lleva a cabo la extracción de mineral. Por otro lado, el flujo gravitacional presente en estas operaciones tiene un impacto directo en el diseño minero y por ende en el negocio; a causa de esto, se busca cuantificar en la presente investigación, la influencia que tiene el confinamiento asociado al peso de la columna de mineral en la fragmentación secundaria y en la capacidad de flujo que presenta la roca hundida. El objetivo de este trabajo consiste en acrecentar el conocimiento de parámetros importantes que forman parte de la minería de caving, a través de la realización de experimentos de flujo de material granular bajo altas condiciones de confinamiento. Modelando así la fragmentación secundaria y las colgaduras, a través de ensayos de laboratorio en donde es aplicada una carga vertical para simular la sobrecarga de mineral presente en una columna de extracción. En los experimentos realizados se observó que el esfuerzo vertical aplicado tiene un efecto considerable en la capacidad de fluir y en la fragmentación del material, así como también el efecto que ejercen el tamaño de partícula y las curvas granulométricas ensayadas. La fragmentación secundaria está influenciada principalmente por la carga vertical aplicada y la distribución del tamaño de la roca fragmentada. En cuanto a la generación de eventos de colgaduras, se ven principalmente influenciados por la carga vertical aplicada y el tamaño de los fragmentos. En base a los resultados obtenidos, se presenta un nuevo modelo de fragmentación secundaria conformado por un set de ecuaciones basadas en las características del material y las condiciones de operación. El modelo propuesto es capaz de predecir la distribución de tamaños de partículas a obtener en un punto de extracción. Este modelo es análogo al modelo de molienda continua en flujo pistón, basado en un balance de masa de la población de fragmentos al cual se le ha incorporado el efecto de la carga vertical. Por otra parte, en los experimentos realizados se encontró una relación exponencial entre la carga vertical aplicada y la frecuencia de colgaduras. Bajo este contexto, se cuantifica el impacto de la carga para altas condiciones de esfuerzos, y el tamaño de los fragmentos en los parámetros de ajuste. Como resultado el modelo entrega la frecuencia de colgaduras dada una carga vertical aplicada, requiriéndose un ajuste de los parámetros y una validación con datos de terreno. Los ensayos realizados pueden tener una directa aplicación en el diseño minero, al predecir la fragmentación a obtener en el nivel de producción e indicar la frecuencia de colgaduras para una configuración dada. Previamente, deben ser consideradas las restricciones del modelo y el factor de escala.

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.

Ingeniero Civil de Minas / Métodos de explotación mineros como el Block y Panel Caving implican una serie de riesgos y peligros que podrían afectar su envolvente económica. La entrada temprana de dilución en los puntos de extracción es uno de los principales riesgos asociados a los objetivos productivos en las operaciones de caving, desencadenando en una disminución de ingresos o pérdidas de reservas de mineral. A pesar de esto, las principales herramientas utilizadas para su control en la actualidad son insuficientes y presentan bajas confiabilidades, además de ser orientadas hacia el largo plazo. En consecuencia, el objetivo principal del presente trabajo de memoria recae en la creación de una nueva metodología y modelos para determinar el riesgo de entrada de dilución en puntos de extracción para un horizonte operacional y bajo condiciones tanto operaciones como de entorno. Lo anterior desarrollado a partir de una base datos del Panel III de Andina, Codelco. A través de los análisis de mecanismos de ingreso de dilución se determina un ingreso vertical seguido de uno lateral, además de un modelo mixto. A partir de esto, se desarrollan tres modelos multivariables de riesgo al ingreso de dilución acumulada al 3%. Los resultados principales indican una relevancia estadística en el evento por parte de las variables estado de los vecinos (con o sin presencia de dilución), columna extraída, altura de columna y uniformidad de los últimos 30 días. El modelo generalizado muestra los mejores indicadores de capacidad predictiva. Simulaciones realizadas permiten obtener un error promedio de 10.2 kton, además de una confiabilidad y exactitud alrededor de 86% y 90% respectivamente, lo que junto a otros análisis permite inferir que el modelo tiene una alta capacidad predictiva y un comportamiento conservador. Además, el modelo muestra un mejor desempeño que el observado por simulaciones en Rebop (Armijo 2013). Finalmente, se concluye de forma principal que en escenarios como el del Panel III de Andina, el modelo resultante se proyecta como una herramienta eficaz para determinar el riesgo a la entrada de dilución y llevar a cabo planificación minera a corto plazo, permitiendo anticipar eventos dilución acumulada en la extracción. No obstante, se requieren pruebas adicionales con datos de otras minas para evaluar la generalización del uso de este modelo en la predicción del ingreso de dilución ante condiciones diferentes a las estudiadas en el presente trabajo de memoria.

The caving/sloughing of sandy layers into drilled shafts is a common and costly phenomenon in the drilling industry. A prototype soil-testing device known as the Pneumatic In-situ Soil Caving Index Sampler (PISCIS) has been developed to test sandy layers above the water table for their propensity to cave/slough into a drilled shaft during the drilling process. The PISCIS fits down a Cone Penetration Test (CPT) hole and uses air pressure to agitate a sample off of the hole wall that is then collected and weighed. Large-scale lab testing was conducted using sand under a variety of simulated overburden pressures and fines contents. The tests were conducted with a dual purpose in mind. First, the tests confirmed the functionality of the PISCIS prototype and its ability to collect samples in a consistent and repeatable manner. Second, the tests resulted in a calibration curve that shows a very strong (nearly exponential) relationship between collected sample weight and the fines content of the test sand; higher fines contents resulted in lower collection weights. The PISCIS was designed to supplement information found in a geotechnical report with information that would specifically inform drilling contractors about potential caving/sloughing hazards found in the stratigraphy.

[pt] O método de exploração Sublevel Caving é um dos métodos de extração massiva mais usados na indústria mundial de exploração subterrânea, sendo considerado pela indústria de mineração, num futuro próximo dentre os substitutos naturais das atuais minas a céu aberto. Uma operação Sublevel Caving requer que o maciço rochoso circundante ao minério rompa continuamente e se movimente para dentro do espaço criado pela extração do minério. Análises existentes na literatura consideram apenas configurações parciais do processo Sublevel Caving sem considerar o processo evolutivo da extração, e o dano induzido ao maciço rochoso decorrente deste processo. Esta dissertação desenvolve uma modelagem numérica utilizando o método dos elementos discretos para simular o mecanismo de ruptura e a subsidência causada pelo método de exploração Sublevel Caving, analisando o referido efeito e suas consequências na evolução do mecanismo de ruptura e subsidência no Sublevel Caving. O software comercial Particle Flow Code (PFC2D) foi selecionado para esta modelagem devido à capacidade de simular, em um evento de excesso de tensão, o fraturamento do maciço rochoso e sua desintegração, desta forma, originam-se o fluxo do material e os deslocamentos em grande escala, os quais são considerados fenômenos físicos dominantes que regem a formação da subsidência e fraturamento num processo Sublevel Caving. Os resultados obtidos nesse estudo mostraram-se satisfatórios, reproduzindo adequadamente a superfície de subsidência induzida por Sublevel Caving, conseguindo-se uma simulação física realista da sua evolução desde o início do fraturamento até à subsidência final. / [en] The Sublevel Caving Method is one of the most massive extraction methods used in underground mining industry worldwide and is considered by the mining industry as one of the natural replacements of the current open cut mines in the near future. A Sublevel Caving operation requires that the rockmass surrounding the orebody continually fails and moves into the void created by ore extraction. This dissertation develops a modeling using the discrete element method to simulate the failure mechanism and subsidence caused by Sublevel Caving method. Analyses reported in the literature consider only partial configurations of process Sublevel Caving, without taking into consideration the excavation evolution process, and damage induced to the rock mass resulting from this process. This dissertation analyzes this effect and its consequences on the evolution of failure mechanism and subsidence in Sublevel Caving. Particle Flow Code (PFC2D) was selected for modeling because of its ability to simulate, if the event of excess stress, fracturing and disintegration of the rock mass and large-scale deformation and material flow, to be simulated, which are believed to be the dominant physical phenomena governing the formation of subsidence and fracturing of Sublevel Caving. The results obtained in this study were satisfactory, reproducing properly the surface subsidence induced by Sublevel Caving, allowing physically realistic simulation of its evolution since the beginning of the fracturing to final subsidence.

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Ingeniero Civil de Minas / El objetivo principal de este trabajo es realizar una post evaluación técnica- económica de la recuperación de pilares mediante el método Front Caving en la mina El Teniente . La post evaluación se basó en la recolección, filtración y análisis de información y en un análisis económico del método, dada las condiciones de los sectores Teniente 1 Retram y Sector K de la mina El Teniente . Mina El Teniente decidió aplicar este método para explotar pilares mineralizados ubicados entre los niveles de ventilación y producción, en sectores en que se suspendió la extracción de mineral por colapso del nivel de producción. De los análisis y resultados operacionales se concluye que el método se caracteriza por ser adaptable a diferentes cuerpos mineralizados. Un gran porcentaje del mineral obtenido es producto de la tronadura, debido a lo cual un buen manejo operacional del proceso de perforación y carguío de tiros así como el control de la dilución son factores de mayor importancia para el éxito del método. En cuanto a la seguridad, es un método en que se extrae el esponjamiento del mineral tronado y que necesita una fortificación y control operacional riguroso en los puntos de extracción para limitar los riesgos. El análisis de los resultados económicos indica que es un método viable en las condiciones particulares de su aplicación en El Teniente. Dado que se ocupan obras preexistentes, se requiere una inversión menor, básicamente desquinches de túneles y otras obras menores. Es importante destacar que con adecuados controles operacionales se lograron índices económicos aceptables. Otro punto a considerar es que el método permite asegurar planes de producción pues es un método ágil y flexible y su puesta en marcha requiere de corto tiempo. Con ello se logró el reemplazo de producción de sectores con imprevistos operacionales. Resumiendo, el Front Caving es un método de explotación adecuado para recuperar sectores afectados por colapsos, e incluso podría ser competitivo en situaciones normales.