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• Ayumi Otosaka

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Carga y Acarreo Minero VII ciclo Mgr. Fulton Carlos Reátegui Ordoñez

Msc. Carlos Reátegui Ordoñez

1. Conceptos generales

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Propiedades de materiales Es muy importante saber las propiedades del material extraído.

1. Densidad in situ (de banco) 2. Densidad suelta (esponjamiento) 3. Sobrecarga y ángulo de reposo 4. Distribución de tamaño y fluidez

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Densidad del material

Es la masa (peso) por la unidad de volumen del material. • Entre más denso el material, más peso existe por igual unidad de volumen.

– La densidad del material minado varía mucho: • Mena de hierro in situ o 3 tn/m3

• Carbón in situ o 1 tn/m3

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Material esponjado

Cuando se fragmenta, el material se esponja. • El esponjamiento da una baja densidad del material minado (suelto). Nota: La densidad suelta es siempre menor a la densidad in situ.

• El esponjamiento depende del material y del tamaño de fragmento (qué tan roto está).

• Esponjamiento típico: de 15% (arena) a 50% (algunas rocas).

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Factor de Esponjamiento (FE) Define el cambio de densidad o volumen cuando el material se quiebra (o fragmenta).

• Se define de dos maneras: • Basado en el cambio de densidad por unidad de volumen; así FE < 1 (EE. UU., Caterpillar) • Basado en el cambio de volumen por unidad de masa; así FE>1 (europeos).

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Factor de esponjamiento: cambio de densidad FE = 1 / (1 + % esponjamiento) Para el esponjamiento de un 30% FE = 1 / (1 + 0.3) = 0.77 Esto significa lo siguiente: Tn/Bm³ = (Tn/ Sm³) x 1/FE B = material en banco S = material suelto

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Factor de esponjamiento: cambio de volumen FE = (1 + % esponjamiento)

Para el esponjamiento de un 30% FE = (1 + 0.3) = 1.3 Esto significa lo siguiente:

Tn/Sm³ = (1/SF) x Tn/Bm³ Tn/Bm³ = SF x Tn/Sm³ Msc. Carlos Reátegui Ordoñez

En minería… • El volumen de descarga de una mina es mayor que el volumen en banco (Bm3). • Conocer el esponjamiento para planificar y diseñar apropiadamente las zonas de descargas, botaderos, entre otros. • Conocer el esponjamiento para planificar y diseñar las pilas (stockpiles) de material.

• El volumen del material transportado es mayor, tanto del excavado en banco como del descargado. • Conocer el esponjamiento para poder estimar apropiadamente el tamaño de los equipos de extracción. Msc. Carlos Reátegui Ordoñez

Angulo de reposo

1. Es la propiedad del material suelto que se relaciona con su cohesión. 2. Es el ángulo natural de apilamiento del material amontonado. 3. No es el ángulo de pendiente del pit, exceptuando cuando la pendiente es excavada en material suelto. 4. Es el ángulo de pendiente de botaderos y pilas (stockpile).

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Angulo de Carga • Menor que el ángulo de reposo. • Se aplica en materiales que son movidos en camiones o correas transportadoras.

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Muy Fluido

Fluido

Ángulo de carga 5°

Ángulo de carga 10°

Fluido promedio

Ángulo de carga 20°

Lenta

Ángulo de carga 25°

10º 5º

Ángulo de reposo de 0º-19º

Ángulo de reposo 20º-29º

20º

25º

Ángulo de reposo 30º-34º

Ángulo de reposo 35º-39º

Ángulo de carga 30º

30º

Ángulo de reposo 40º- más

Materiales característicos Partículas de tamaños uniformes, redondeadas muy pequeñas, muy secas o muy húmedas ejemplo: arena seca, cemento, concreto, etc.

Partículas finas redondeadas secas de peso medio parecidos a granos o frejoles.

Materiales irregulares o en grumos de peso medio como el carbón antracita, arcilla, lodo, etc.

Típico de materiales comunes como carbón bituminoso, piedra, minerales, etc.

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Materiales irregulares, fibrosos como las astillas de madera, bagazo, arenas de fundición, etc.

Factor de llenado o de carga • Raramente se carga el equipo a su capacidad nominal. • Modelo de tolva del equipo • Propiedades del material: ángulo de reposo/sobrecarga

• El factor de llenado necesita ser definido para cada trabajo y para cada material.

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Factores Típicos de llenado FACTORES DE LLENADO DEL CUCHARON Material suelto Factor de llenado Áridos húmedos mezclados 95-100% Áridos uniformes hasta de 3 mm (1/8) 95-100 3-9 mm (1/8-3/8’’) 90-95 12-20 mm (1/2-3/4’’) 85-90 24 mm (1’’) y más 85-90 Roca de Voladura Buena Media Mala Otros Mezclas de roca y tierra Marga húmeda Tierra vegetal, piedras, raíces Materiales cementados

80-95% 75-90 60-75 100-120% 100-110 80-100 85-95

Nota  Para obtener los factores de llenado de cucharones de excavadoras hidráulicas, vea la carga útil de los cucharones en la sección de excavadores.

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Los factores de llenado del cucharón del cargador pueden ser afectados por la penetración del cucharón, la fuerza de desprendimiento, el ángulo de inclinación hacia atrás, el perfil del cucharón y las herramientas de corte; tales como los dientes del cucharón o cuchillas impermeables reemplazables.

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Factor de Carga EXPANSION, VACIOS Y FACTORES DE CARGA ESPONJAMIENTO (%)

VACIOS (%)

FACTORES DE CARGA

5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 100

4,8 9,1 13,0 16,7 20,0 23,1 25,9 28,6 31,0 33,3 35,5 37,5 39,4 41,2 42,9 44,4 45,9 47,4 48,7 50

0,952 0,909 0,870, 0,833 0,800 0,769 0,741 0,714 0,690 0,667 0,645 0,625 0,606 0,588 0,571 0,556 0,541 0,526 0,513 0,500

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Otras condiciones para la carga • Geometría del frente de avance • Altura del banco

• Ancho del banco • Bolones/rocas grandes

• Condiciones de la roca

• Cortes especiales • Rampas • Cortes de caja

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Condiciones de excavación Dificultad de la excavación

Descripción del Material

Fácil

Material Suelto, los materiales “ruedan” libremente debido a su forma granular por ejemplo; material de “stock pile” u otros materiales que están siendo re- manipulados

Media

Material in situ que requiere cierta fuerza para ser removido (muchas veces solo fuerza de la maquina excavadora), por ejemplo; arena y áridos (agregados o cantos rodados) en banco, ciertos materiales de relleno.

Dura

Material que requiere voladura que resulta en fragmentos menores a 1 m, una vez “aflojados” por la voladura requieren de “cierta fuerza” del cucharon para ser cargados, son generalmente de mediana densidad y pueden ser abrasivos

Muy dura

Material que requiere de voladura con altos factores de carga, generalmente se trata de materiales con alta resistencia a la compresión (UCS), alta densidad y muy abrasivos

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Conceptos geológicos operacionales Dilución: Residuos de roca de baja ley o estéril que inevitablemente son retirados con el mineral en el proceso de excavación. Estos pueden bajar la ley de cabeza del mineral explotado.

Hace referencia al porcentaje de material estéril o de baja ley que se mezcla con el mineral producido por el método de explotación utilizado, y las operaciones complementarias.

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Razones

•

Mínimo tamaño de extracción (costo vs. espacio)

•

Irregularidad del cuerpo mineralizado

•

Malas prácticas mineras (negligencia)

•

Inestabilidad de la roca

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Recuperación El porcentaje de mineral valioso en el yacimiento que se recupera durante la explotación No todo el mineral es recuperado.

Máximo tamaño de extracción Irregularidad del cuerpo mineralizado Estabilidad de la roca

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Dilución y recuperación

Mining Bench

Dilution

Ore Lost

Mining Bench

Ore Lost

Dilution Ore Zone

Ore dilution and losses caused by mismatch between the mining geometry and the ore geometry.

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Reconciliación de leyes

•

Geólogos



1000 t ley 1,2% Cu

vs. Metalurgistas

vs. Ing. de Minas 1100 t @ 0,9% Cu

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

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Carga y Acarreo Minero VIII ciclo Msc. Fulton Carlos Reátegui Ordoñez

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2 . Clasificación de equipos

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Clasificación de equipos Los equipos se clasifican según la función que pueden satisfacer. De acuerdo a esto podemos clasificarlos en: 1. Equipos de carguío 2. Equipos de transporte 3. Equipos mixtos.

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2.1 Equipos de carguío minero Realizan principalmente la labor de carga del material desde la frente de trabajo hacia un equipo de transporte que llevará el material a un determinado destino (planta, botadero, stock pile). Alternativamente, estos equipos de carguío pueden depositar directamente el material removido en un punto definido. Como es el caso de tolvas de transferencia, minería de carbón y dragas.

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Los equipos de carguío pueden separarse en I.

Unidades discretas de carguío, como es el caso de palas y cargadores,

II. Equipos de carguío de flujo continuo, como es el caso de excavadores de balde que realizan una operación continua de extracción de material.

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Otra forma de diferenciar los equipos de carguío considera si éstos se desplazan o no I.

Equipos sin acarreo (en general su base no se desplaza en cada operación de carguío)

II. Equipos con acarreo mínimo (pueden desplazarse cortas distancias).

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2.1.1 Unidades discretas: Equipos de carga sin acarreo

Dentro de estos equipos principalmente podemos I.

Palas eléctricas o de cable

II. Palas hidráulicas y Retroexcavadoras

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I. Palas eléctricas o de cables

Se utilizan principalmente en mediana y gran minería a cielo abierto.

Tienen un bajo costo por unidad de producción y pueden manejar grandes volúmenes. Cada modelo puede combinarse con varios modelos de camiones, lo que les otorga cierta flexibilidad.

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Son equipos caros y críticos en la producción que requieren de mantenimiento preventivo para evitar interrupciones en la producción. Tienen poca movilidad para trabajar en varias frentes al mismo tiempo. Para una misma producción, la energía eléctrica que consumen estos equipos resulta más económica que el consumo de combustible de una pala hidráulica. El costo de inversión requerido es considerablemente mayor en el caso de una pala eléctrica.

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Carga con Palas i.

La fase de excavación incluye empujar el balde en el banco, levantar el balde para llenarlo y retraer el balde del banco. “Un balance adecuado de las fuerzas de empuje y levante es esencial para una excavación eficaz y productiva”.

ii.

La fase de giro comienza cuando el balde libra el banco vertical y horizontalmente. Durante esta fase, el operador controla la posición del balde mediante una trayectoria de giro y altura de descarga planeada hasta que el balde esté ubicado sobre el camión de carga.

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iii.

La fase de descarga comienza antes de que el balde cargado pase por el lado del camión de carga, y termina cuando el movimiento de giro para y retrocede para regresar el balde al banco. Durante la fase de descarga, el operador abre la tapa del balde para descargar su contenido mientras controla la altura de la descarga para evitar lesiones al personal de la mina, y así evita dañar la tolva del camión, especialmente durante la primera carga.

iv.

La fase de retorno incluye el giro del bastidor superior en dirección al banco, y también bajar el balde en posición retraída con el fin de cerrar su tapa, activando el seguro de cierre de la tapa del balde.

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Fase de excavación Los movimientos básicos del ciclo de excavación son empuje, levante y giro. La posición correcta de la pala, los movimientos de empuje y los de levante son muy importantes para obtener buenos tiempos de ciclo y eficiencia de excavación de la pala.

La excavación eficaz y segura requiere un control coordinado de los movimientos de empuje, levante y giro en una secuencia suave de pasos.

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Proceso de excavación con palas de cable

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Empuje y levante

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EMPUJE (CROWD) •

Es el movimiento que proporciona el empuje necesario para forzar el balde contra el banco, y los dientes del balde debajo de suficiente material para que sea eficaz el uso del tiro disponible del aro.

•

Es necesario mantener siempre un buen ajuste de los interruptores del límite de empuje y retracción.

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Los baldes más amplios y la geometría del labio (borde) del balde se diseñan, actualmente, para rebanar el banco en lugar de ararlo.

El movimiento de empuje se debe usar para controlar la profundidad del corte.

La penetración no debe ser tan profunda como para poner la pala

en stall o levantar todo el banco. La profundidad de la penetración debe permitir rebanar el material.

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No se pueden obtener factores adecuados de llenado sin la penetración correcta. Pero la penetración excesiva provocará que la velocidad de levante sea lenta o se ponga en stall.

Un buen operador observará esto y mantendrá el balde en movimiento cerca de la potencia máxima.

Una vez que el balde se pone en stall en el banco, se pierde el momento; y los tiempos de ciclo pueden aumentar notablemente hasta el 50% o más.

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• LEVANTAR (IZAJE)

•

•

El movimiento de levante es tensar los cables de levante para alzar el balde a través del banco. El tipo y peso del material que se extrae afecta el movimiento de levante y de giro. Si el ecualizador o ecualizadores del cable de levante son subidos hasta las poleas de la punta de la pluma, se puede dañar el equipo. Siempre mantenga el control de la posición del balde para evitar que el ecualizador o ecualizadores entren en contacto con la punta de la pluma. Si es necesario suspender una carga mientras se espera al camión de carga, pare completamente el movimiento de levante y luego aplique los frenos de levante.

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Boom jack es el resultado de la excesiva fuerza de empuje aplicada durante la fase de levante del ciclo de excavación. Ocurre cuando se aplica una fuerza de empuje excesiva sin aplicar simultáneamente una fuerza proporcional de levante. A medida que la pluma regresa, el movimiento puede ocasionar holgura en los cables suspensores de la pluma. Cuando la pluma regresa a su posición normal, el sistema de suspensión atrapa la pluma en caída. Esto puede producir un enorme esfuerzo, provocando que los suspensores se estiren o rompan. Msc. Carlos Reátegui Ordoñez

Giro • El movimiento de giro incluye la rotación de toda la estructura superior hasta que la pala esté sobre el camión de carga. El peso del material que lleva el balde afecta la estabilidad de la pala y el régimen de aceleración y desaceleración de giro. • La fase de giro comienza cuando el balde libra el banco vertical y horizontalmente. Acelera suavemente a través de la primera mitad del arco de giro, luego comienza a desacelerar. La aceleración y la desaceleración son proporcionales al movimiento del controlador de giro.

• Para reducir el daño al camión de carga, el balde debe colocarse a una altura donde, al girar, la tapa del balde libre el camión o la parte de arriba de la carga. Msc. Carlos Reátegui Ordoñez

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Posiciones de giro

Para reducir el daño con los baldes actuales más grandes y tolvas de camiones más profundas, coloque el balde en la tolva del camión con el frente del balde cerca del lado lejano, de

manera que al abrir la tapa del balde no se golpee el lado cercano.

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Propulsión

El movimiento de propulsión se usa para mover la pala al siguiente corte, así como para penetrar más en el banco. Para ahorrar tiempo y reforzar la productividad general, es bueno planear con anticipación la nueva posición que la pala tendrá para cada corte sucesivo.

Virar las orugas en preparación para avanzar hasta el siguiente corte ayuda a simplificar los movimientos y a reducir el tiempo para mover la pala a su nueva ubicación.

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Al ahorrar solo dos minutos por hora de operación en propulsión,

una pala de 30 yardas cúbicas podría cargar un camión adicional de 170 toneladas, agregando 4000 toneladas de movimiento de

material al día. Con los baldes y los camiones de carga de más capacidad, los aumentos de productividad son proporcionalmente mayores.

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Técnicas y condiciones operativas

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2. Palas hidráulicas Presentan una mejor movilidad que las palas de cable, aunque no están diseñadas para cambiar de posición de manera frecuente. Con una menor inversión y un costo operacional levemente más alto que en el caso de las palas eléctricas, las palas hidráulicas poseen un rango de capacidades de balde menores (hasta 24 m3).

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La cuchara de la pala puede estar instalada de manera frontal o inversa (como una retroexcavadora)

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De acuerdo a la configuración del cucharon pueden cargar por el frente o inverso

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Técnicas y condiciones operativas

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Las fases de excavación frontal se presentan en la fig.

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Procedimiento de corte en banco en palas frontales

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Retroexcavadoras Hidráulicas: A diferencia de las pala estas cargan en forma inversa, es decir tienen que estar colocadas encima del banco para poder operar.

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Se utilizan principalmente en canteras y en algunos casos en pequeña y mediana minería no metálica. Permiten el manejo de producciones pequeñas. Pueden estar montadas sobre neumáticos u orugas. Las capacidades de los baldes alcanzan 4 yd3, con motores de hasta 430 HP.

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Técnicas y condiciones operativas

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2.1.2 Cálculo de la productividad de equipos de carga sin acarreo Cálculo de Capacidad Promedio el balde (CC)

CC (m³) = Cc * Fc

Donde: Cc = capacidad de balde o cucharon nominal en m³ Fc = factor de carga

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Cálculo de la productividad nominal (m³/hr)

m³/hr. = ( CC* 60 min/hr.)/ciclo

Donde: CC = Capacidad promedio balde en m³

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Cálculo de la productividad real m³/hr

m³/hr. = m³/hr. * FE

Donde: FE = factor de eficiencia

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Estimación del tiempo de ciclo. El tiempo de ciclo de una excavadora tiene cuatro segmentos:

1. Carga de balde 2. Giro cargado 3. Descarga de balde 4. Giro descargado El tiempo de cada segmento de la operación dependerá de las condiciones de trabajo, localización del camión o equipo de transporte, profundidad de la excavación, existencia de obstáculos, tamaño de la excavadora, etc.

Típicamente el tiempo total del ciclo fluctúa entre los 20 y 30 segundos, pudiendo llegar a 10 a 15 segundos en casos de extrema eficiencia y a cerca de 50 segundos en casos muy complicados.

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Ejemplo de aplicación Seleccione el tamaño de balde para un flota de palas en una operación minera de hierro, dados los siguientes antecedentes acerca de la operación. Número de equipos Capacidad diaria requerida por equipo (P) Tiempo diario estimado de operación (T) Excavabilidad del material Tiempo estimado de ciclo (c) Densidad in situ del material (j) Factor de esponjamiento (FE) Factor de llenado de balde (FC)

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:1 : 50 700 ton/día : 18 hr. : difícil : 32 seg : 2.8 /m³ : 0.70 : 0.85

Solución Calculamos el nro. de ciclos #ciclos = (T * 3600 seg/hr.)/c # ciclos = (18 hrs*3600 seg/hr./32 seg) # ciclos = 2 025

Calculamos el Tn por ciclo Tn/ciclo = P/#ciclos Tn/ciclo = 50 700/2025 Tn/ciclo = 25

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Solución Calculamos la capacidad del balde Cc = Tn/ (d* Fc*FE)

Cc = 25 / (2.8 * 0.85*.70) Cc = 15 m³

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