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Universidad de Santiago de Chile Facultad de Ingeniería Departamento de Ing. en Minas Santiago

Método de explotación: Rajo Abierto – Sistema Cerrado

Por: Daniela Navarro Solange Vivar Vivar Profesores: Eduardo Contreras Moreno Bernardo Reyes Cabrera Ayudantes: Ignacio Vásquez Vásquez Juan Vergara Paredes Fecha de entrega: 30/11/2012

Universidad de Santiago de Chile Facultad de Ingeniería Departamento de Ing. En Minas Santiago

Resumen Ejecutivo: El método de explotación Rajo Sistema Cerrado se utiliza cuando los yacimientos presentan una forma regular y están ubicados en la superficie o cerca de ésta, de manera que el material estéril que lo cubre pueda ser retirado a un costo tal que pueda ser absorbido por la explotación de la porción mineralizada. Este sistema de extracción permite utilizar equipos de grandes dimensiones, ya que el espacio no está restringido como en el caso de las minas subterráneas, aunque su operación puede estar limitada por el clima, como es el caso de las minas ubicadas en la alta cordillera o la zona central del país. El rajo se va construyendo en avances sucesivos, lateralmente y en profundidad. A medida que se va profundizando en la mina, se requiere ir ensanchándola para mantener la estabilidad de sus paredes. De este modo, se genera una especie de anfiteatro escalonado con caminos inclinados especialmente diseñados para el tránsito de los equipos, cuya forma es dinámica ya que va cambiando a medida que progresa la explotación. La estabilidad de los taludes de una mina es particularmente crítica, ya que de eso depende la seguridad de la operación siendo, además, parte importante de la rentabilidad del negocio. El Sistema Cerrado se utiliza en la mayoría de los rajos ya que presenta un accesibilidad mas rápida a la unidad de explotación lo que genera una diminución en los costos que involucran el transporte. A modo de ejemplo se presenta la Minera Chuquicamata, la cual involucra el sistema tratado en el informe, además esta corresponde a la mina a cielo abierto más grande mundialmente lo cual permite una mejor apreciación del método

2 Ayudantes: Ignacio Vázquez Vázquez Juan Vergara Paredes

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Índice: 1234-

Introducción Objetivos Alcances y limitaciones Desarrollo del método:  Método  Fases del proceso  Mina Chuquicamata  Ventajas de las minas a Rajo Abierto  Desventajas de las minas a Rajo Abierto  Rajo Sistema Abierto V/S Rajo Sistema Cerrado 5- Conclusión Bibliografía

4 5 5 6 a 11 11 a 12 12 a 14 15 15 16 a 17 17

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Índice de Figuras: Figura N°1:Mina Chuquicamata

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Figura N°2: Parámetros de la geometría de un talud

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Figura N°3: Bermas

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Figura N°4: Berma de transporte

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Figura N°5: Ancho mínimo de la expansión

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Figura N°6: Rampa

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Figura N°7: Vista superior Rajo Sistema Cerrado

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Figura N°8: Vista frontal Rajo Sistema Cerrado

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Figura N°9: Ubicación mina Chuquicamata

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Figura N°10: Rampas en Mina Chuquicamata

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Figura N°11: Rampa Discontinua

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Figura N°12: Rampa Continua

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1.

Introducción: La elección de un método de explotación de un yacimiento mineral lleva consigo diversos estudios que permitirán decidir cuál es el método más conveniente desde un punto de vista económico (costos, beneficios, inversiones, flujos de caja, etc). Esta decisión se encuentra relacionada con múltiples factores propios del yacimiento tales como la ley, dimensiones del mineral, la profundidad, forma, estabilidad de la roca etc. Además y no menos importante, la elección dependerá de las políticas, necesidades y recursos que disponga la empresa interesada en realizar dicha explotación. Es por ello que cada yacimiento es potencialmente sensible a ser explotado por cualquier método minero, de los cuales serán descartados los que no representen un buen negocio para la empresa interesada. Para efectos de este informe se tratara la explotación por el método de Rajo Abierto con Sistema Cerrado, el cual se basa en el principio de remoción de estéril sobre la corteza terrestre para descubrir el yacimiento a explotar. Este tipo de extracción se utiliza cuando los yacimientos presentan una forma regular, compuestos por menas metálicas de baja ley y ubicados en la superficie o cerca de ésta, de manera que el material estéril que lo cubre pueda ser retirado a un costo tal que pueda ser absorbido por la explotación de la porción mineralizada. Este sistema de extracción permite utilizar equipos de grandes dimensiones, ya que el espacio no está restringido como en el caso de las minas subterráneas, aunque su operación puede estar limitada por el clima, como es el caso de las minas ubicadas en la alta cordillera o la zona central del país. En chile, una de las principales mineras que aplican el método Rajo abierto con sistema cerrado es la Minera Chuquicamata, complejo minero asociado a la División Codelco Norte, cuyas operaciones aporta con el 25% de la producción total del metal rojo.

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Figura N°1: Mina Chuquicamata 2- Objetivos:   

Conocer la metodología del método Rajo Abierto Sistema Cerrado y sus características. Conocer características que debe poseer el yacimiento para que el método sea factible. Dar a conocer la historia y aplicación de método en la mina Chuquicamata.

3- Alcances y Limitaciones: 

 

El enfoque principal que trata este informe es elaborar la metodología de ejecución de explotación del método Rajo abierto Sistema cerrado desde sus inicios a la actualidad, considerando todo el desarrollo y labores correspondientes y otros alcances relevantes para el método como por ejemplo los equipos necesarios, el tipo de roca con que se trabaja entre otros. Solo haremos uso de sus variantes al momento de realizar comparaciones para determinando efectos positivos o negativos del método utilizado. En este informe no se contemplaran, los parámetros geomecánicos ni geometalúrgicos que, regularmente caracterizan al depósito mineral, ni tampoco en los datos económicos, pues el trabajo se basara solo en descripción de carácter técnico. También no se contemplara el efecto del tiempo sobre la información entregada de las secuencias de excavación y producción. 5 Ayudantes: Ignacio Vázquez Vázquez Juan Vergara Paredes

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4- Desarrollo del método:

 Método El suelo y la roca estéril se deben quitar para descubrir los cuerpos mineralizados. Este proceso se conoce como desarrollo o preparación mínima, el cual puede durar un tiempo corto o algunos años. El rajo se va construyendo en avances sucesivos, lateralmente mediante expansiones programadas y en profundidad con la apertura de nuevos bancos. A medida que se va profundizando en la mina, se requiere ir ensanchándola para mantener la estabilidad de sus paredes. De este modo, se genera una especie de anfiteatro escalonado con caminos inclinados, especialmente diseñados para el tránsito de los equipos, cuya forma es dinámica ya que va cambiando a medida que progresa la explotación. Un rajo puede estar compuesto por unos pocos bancos o una serie de ellos; un banco es cómo una repisa, que forma un solo nivel de la operación sobre el cual los materiales mineral o de estéril se tronan de nuevo en una cara del banco. El mineral o el estéril se retiran en capas sucesivas, cada uno de las cuales es un banco. Varios bancos pueden estar en operación simultáneamente en diversas partes, y en diversas elevaciones en una explotación por rajo abierto. El diseño de los ángulos de la geometría del rajo abierto está llegando a ser cada vez más importante, debido a las profundidades que minan los rajos abiertos, los que aumentan continuamente. Un cambio pequeño en el ángulo total de la geometría del rajo tiene consecuencias grandes en la economía total de la operación de explotación minera. Un caso en detalle es la mina de rajo abierto de Chuquicamata, que hace frente actualmente al diseño de los ángulos totales de la geometría del rajo para explotar en forma continúa hacia una profundidad de alrededor de 900 metros. Los ángulos de trabajo y de pit final constituyen una de las primeras fases de análisis en un proyecto de planificación del rajo. Los factores que gobiernan la estabilidad de los rajos a gran escala entre otros son: las fuerzas de tensión que condiciona la geometría del rajo, incluyendo los efectos del agua subterránea, las estructuras geológicas, presente local y regional, la geometría del rajo, y la fuerza de la masa de la roca.

En este contexto, la estabilidad de los taludes de una mina es particularmente crítica, ya que de eso depende la seguridad de la operación, siendo además, parte importante de la rentabilidad del negocio. Para ello, se establecen los siguientes parámetros geométricos: (Ver Figura N°2) 6 Ayudantes: Ignacio Vázquez Vázquez Juan Vergara Paredes

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CMZ

A. Karzulovic & Asoc. Ltda.

PARAMETROS QUE DEFINEN LA GEOMETRIA DE UN TALUD MINERO

ANCHO DE RAMPA bR

ANGULO INTERRAMPA,

ANCHO DE BERMA b

R

ALTURA GLOBAL, hO ANGULO GLOBAL,

O

ALTURA DE BANCO hB

ALTURA INTERRAMPA, hR

ANGULO INTERRAMPA,

R

ANGULO DE BANCO,

B

GEOMECANICA EN LA INDUSTRIA MINERA

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Figura N°2: Parámetros de la Geometría del talud Banco: cada banco corresponde a uno de los horizontes mediante los cuales se extrae el mineral. El banco se va cortando por el horizonte inferior, es decir hacia abajo, generando una superficie escalonada o pared del rajo. El espesor de estos horizontes es la altura de banco, la que generalmente mide de 13 a 18 m. Berma: es la franja de la cara horizontal de un banco, como un borde, que se deja especialmente para detener los derrames de material que se puedan producir al interior del rajo. Su ancho varía entre 8 y 12 m.

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Figura N°3: Bermas Angulo de talud: el talud o pared de la mina es el plano inclinado que se forma por la sucesión de las caras verticales de los bancos y las bermas respectivas. Este plano presenta una inclinación de 45° a 58° con respecto a la horizontal, dependiendo de la calidad geotécnica (dureza, fracturamiento, alteración, presencia de agua) de las rocas que conforman el talud. Asimismo, se determinan los lugares donde se ubicarán los botaderos de material estéril, las instalaciones eléctricas, los puntos de suministro de petróleo y agua, las plantas de beneficio, los talleres y las dependencias administrativas, de manera que no sean afectadas por los avances del rajo en un tiempo considerable.

Figura N°4: Berma de transporte 8 Ayudantes: Ignacio Vázquez Vázquez Juan Vergara Paredes

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Berma de transporte: deben tener un ancho tal que permita que se crucen dos camiones y el movimiento de las máquinas de carguío; se considera que cuatro veces el ancho del camión más grande, es una vía de transporte adecuada. (Ver Figura N°5) Este sistema de extracción permite utilizar equipos de grandes dimensiones, ya que el espacio no está restringido como en el caso de las minas subterráneas, aunque su operación puede estar limitada por el clima, como es el caso de las minas ubicadas en la alta cordillera o la zona central del país.

Figura N°5: Ancho mínimo de la expansión Ancho mínimo de la expansión: queda definido por el equipo de carguío, cargando material a ambos lados sobre camiones, tomando como referencia el eje del camión, más la berma de seguridad (3,5 m) y una separación de la pata del banco(2,0 m). (Ver Figura N°6) El material existente bajo la ley de corte es considerado estéril si no contiene cobre, o mineral de baja ley si tiene algo de cobre que podría ser recuperado a través de otro procedimiento. Rampa: es el camino en pendiente que permite el tránsito de equipos desde la superficie a los diferentes bancos en extracción. Tiene un ancho útil de 25 m, como mínimo, de manera de permitir la circulación segura de camiones de gran tonelaje en ambos sentidos. Estas

pueden ser de dos tipos:

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 

Rampas continuas: las rampas no poseen descanso, es decir, conectan el frente de trabajo con la superficie del rajo, cortando los bancos. Rampas no continuas: las rampas poseen descanso, de manera que la rampa permite el acceso a todos los bancos del rajo.

En ambos tipos de rampas puede seguir un camino espiral uniforme entorno al rajo conectando el fondo del pit con la superficie, o bien zigzaguear por una sola pared.

Figura N°6: Rampa Altura del banco; distancia vertical entre el punto más alto (cresta) de un banco y del más bajo, pata del banco. Esta queda definida por las características geológicas del yacimiento, tamaño de los equipos, condiciones geomecánicas y varía entre 13 y 18 m. Cresta del banco - el ángulo, medido en grados entre la línea horizontal e imaginaria que ensambla la cresta y la pata del banco. Angulo interrampa: Queda definido por el ángulo cara de banco y por el criterio de ancho de banco mínimo de seguridad, según Ritchie 4,5 + 0,2 H, H = altura del banco.

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Expansión: Es un ensanchamiento del rajo, que se inicia en el primer banco de estéril y que continúa hacia abajo, banco a banco manteniendo el esquema de explotación hasta dejar el mineral a la vista. Fase: conjunto de expansiones extraídas en una misma dirección.

Figura N°7: Vista Superior Rajo Sistema cerrado

Figura N°8 : Vista frontal Rajo Sistema Cerrado

 Fases del proceso:  Perforación: Las perforaciones en el banco deben realizarse a distancias regulares entre si, generalmente entre 8 y 12 m (malla de perforación), de manera que atraviesen toda la altura del banco para que, al introducirse los explosivos, la detonación permita fragmentar la roca. Para realizar las perforaciones, se utilizan grandes equipos eléctricos de perforación rotatoria, equipados con barrenos de carburo de tungsteno de 12 ¼ pulgadas de diámetro, los que permiten perforar un hoyo de 15 m de longitud en solo 20 minutos.  Tronadura: Para realizar las perforaciones, se utilizan grandes equipos eléctricos de perforación rotatoria, equipados con barrenos de carburo de tungsteno de 12 ¼ pulgadas de diámetro, los que permiten perforar un hoyo de 15 m de longitud en solo 20 minutos. El producto 11 Ayudantes: Ignacio Vázquez Vázquez Juan Vergara Paredes

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obtenido es la roca mineralizada fragmentada de un tamaño suficientemente pequeño (en general menor que 1 m de diámetro) como para ser cargada y transportada por los equipos mineros y alimentar al chancador primario, en donde se inicia el proceso de reducción de tamaño en un sistema en línea hasta llegar a la planta de tratamiento.  Carguio: El material tronado es cargado en camiones de gran tonelaje mediante gigantescas palas eléctricas o cargadores frontales. Estos equipos llenan los camiones en una operación continuada desde que queda disponible el banco después de la tronadura. Las palas eléctricas tienen capacidad para cargar 70 o 100 toneladas de material de una vez, por lo que realizan tres movimientos o pases para cargar un camión. Los cargadores tienen menor capacidad y en minas de gran tamaño son utilizados sólo para trabajos especiales. Una pala necesita un frente de carguío mínimo de 65 m de ancho y carga camiones que se van colocando alternativamente a cada lado de ella.  Transporte: Para el transporte del material mineralizado y el material estéril, se utilizan camiones de gran tonelaje, por ejemplo 240 o 300 toneladas. Éstos transportan el material desde el frente de carguío a sus diferentes destinos: el mineral con ley al chancador primario, el material estéril a botaderos y el mineral de baja ley a botaderos especiales.

 Mina Chuquicamata: El mineral de Chuquicamata esta ubicado en pleno desierto de Atacama a 240 kilómetros del puerto de Antofagasta y 2.830 metros sobre el nivel del mar. El yacimiento se conocía desde tiempos prehispánicos, pero sólo hacia fines del siglo XIX comenzó a adquirir importancia cuando comenzó lentamente a trabajarse a "Rajo abierto" en forma bastante rudimentaria. Así estaba Chuquicamata cuando las grandes empresas norteamericanas pusieron sus ojos en ella, específicamente los ingenieros de la familia Guggenheim, quienes compraron durante varios años todas las pertenencias mineras. De esta forma, en enero de 1912 se constituyó en Nueva Jersey la Chile Exploration Company (Chilex) para explotar Chuquicamata, bajo la dirección de Daniel Guggenheim. A los pocos meses los ingenieros norteamericanos Edwin Berry, Walter Perkins, Anton Cappelen-Smith diseñaron el método de explotación y el proyecto industrial, que 12 Ayudantes: Ignacio Vázquez Vázquez Juan Vergara Paredes

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consideraba la explotación a rajo abierto mediante tronaduras, el carguío con máquinas a vapor, el transporte del mineral por un ferrocarril interno, y el tratamiento del mineral en una planta. Además se consideraba una planta termoeléctrica en Tocopilla, el empleo del ferrocarril de Antofagasta a Bolivia para transportar el cobre hasta el puerto de Antofagasta, el aprovechamiento de las aguas del río San Pedro y la construcción de un campamento minero dotado de un hospital, colegios, mercado, entretenciones y todos los servicios necesarios para una ciudad enclavada en pleno desierto. El proyecto reseñado se materializó entre 1912 y 1915, destacándose en su dirección los ingenieros Pope Yeatman y Fred Hellman. El 18 mayo de 1915 la mina de Chuquicamata inició sus actividades, las que no se han interrumpido hasta el día de hoy, alcanzando una producción promedio de 100 mil toneladas anuales de cobre fino en la década de 1920. Pese a todos los esfuerzos realizados, la explotación inicial del mineral arrojó resultados decepcionantes en materia de producción y utilidades, situación que llevó a la familia Guggenheim a vender el yacimiento a la Anaconda Copper Company Ltd., en 1923. Nuevas inversiones realizadas con los capitales aportados por los nuevos dueños permitieron aumentar significativamente la producción y hacer rentable la explotación de Chuquicamata.

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Figura N°9: Ubicación mina Chuquicamata La producción comercial de Chuquicamata, Mina Sur y Radomiro Tomic está compuesta fundamentalmente por cátodos electrorefinados y electroobtenidos con una pureza de 99,99 por ciento, concentrados de molibdenita, trióxido de molibdeno y barros anódicos. Chuquicamata utiliza un sistema de rajo mixto, es decir, complementa un sistema abierto con un sistema cerrado en la implementación de rampas. Los frentes de trabajo del rajo optan mayormente por un sistema cerrado ya que tiene un acceso mucho más rápido a las unidades de explotación, disminuyendo costos operacionales a diferencia del sistema abierto que tiene accesos a la mayoría de los bancos lo que lo convierte económicamente en un método mucho más caro. También se evidencia en el rajo de Chuquicamata la combinación de rampas en espiral y en zigzag.

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Figura N°10: Rampas en Mina Chuquicamata.  Ventajas de las minas a Rajo Abierto: a) b) c) d)

Mejor recuperación del volumen de mineral explotable. Planificación más flexible a medida que ingresa al rajo. Los niveles de riesgo en el trabajo disminuyen. La mecanización no tiene límite en cuanto a las dimensiones de los equipos El esfuerzo físico de los trabajadores es menor. e) La productividad es más alta. f) Los tonelajes por cada voladura son mucho mayores.  Desventajas de las minas a Rajo Abierto: a) Las inversiones en equipos son cuantiosas y las cargas financieras son altas. b) El equipo es más sofisticado y necesita una mano de obra mas calificada. c) Los agentes atmosféricos naturales tienen un fuerte impacto (lluvia, nieve, niebla). d) Los frentes de trabajo deben estar mejor organizados. e) Se generan importantes impactos en el entorno que deben ser corregidos por medio de una restauración a veces onerosa.

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 Rajo Sistema Abierto V/S Rajo Sistema Cerrado:

a) Rajo Sistema Abierto: Presenta una rampa discontinua, lo que significa que posee descanso, esto permite tener acceso a cada uno de los bancos y que una mayor cantidad de equipos se desplacen por la rampa, generando un acceso a la unidad de explotación más lento y de más elevado costo ya que recorrerá una mayor distancia que el Sistema Cerrado para llegar al final del pit. Además este sistema es más seguro debido a que al presentar descansos genera un menor desgaste en los equipos.

Figura N°11: Rampa Discontinua.

b) Rajo Sistema Cerrado: Sistema conformado por una rampa continua, lo cual significa que no posee descanso permitiendo que el acceso a la unidad de explotación sea mas rápida disminuyendo costos operacionales y tiempos involucrados en el transporte del material. A diferencia del Sistema Abierto es mas inseguro ya que al poseer una rampa continua se genera un mayor desgaste en los equipos.

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Figura N°12: Rampa Continua. 5- Conclusión: Al analizar el método de explotación Rajo Sistema Cerrado dentro de las ventajas más destacables se encuentra la mayor recuperación en volumen de mineral explotable lo que genera una mayor productividad de la mina, además los niveles de riesgo disminuyen enormemente ya que prácticamente no existen problemas de ventilación ni de visibilidad. Además al presentar un sistema cerrado lo hace más rentable económicamente, ya que genera un acceso a la unidad de explotación de una manera más rápida ya que la rampa no presenta descanso. Dentro de las problemáticas a resolver se encuentran, la definición del mineral y su separación a partir de una ley mínima de corte, la existencia de minerales marginales que habrán de almacenarse, la estabilidad de grandes taludes y vertederos, las relaciones de estéril a mineral y la necesidad generalizada de contar con una planta de concentración para tratar todos los minerales y poder elevar su contenido pagable hasta el mejor valor vendible. Pero en resolución de estos y otros problemas, siempre ha estado presente el avance de la tecnología minera, que ha caracterizado a este método de minería que, si bien es muy clásico ha sido profusamente aplicado para extraer minerales como Hierro, Cobre, Plomo, Zinc, Aluminio, Uranio, Oro y otros. Estas tecnologías han dado a lugar a la aparición de técnicas y maquinarias para su aplicación en este método y conseguir reducir los costos operacionales.

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Bibliografía:  https://www.codelcoeduca.cl/proceso/extraccion/extraccion.asp  http://oa.upm.es/10675/1/20111122_METODOS_MINERIA_A_CIEL O_ABIERTO.pdf  http://www.codelco.com/prontus_codelco/site/artic/20110706/asocfile/2 0110706150616/informe_principales_decisiones_rev_p_25_03_2009.p df  http://es.scribd.com/doc/62193029/Diseno-de-Minas-a-Cielo-AbiertoU-de-Chile

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