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UNIVERSIDAD NACIONAL JORGE BASADRE GROHMANN FACULTAD DE INGENIERIA ESCUELA PROFESIONAL DE MINAS

‘’VERTICAL CRATER RETREAT’’

TACNA – PERU 2019

INTRODUCCION El método VCR que son las siglas en inglés, cuyo significado es ¨Vertical cráter retreat¨ que se basa fundamentalmente en la teoría de cráteres. Este método consiste en explotar el mineral comprendido entro dos niveles de espaciamiento vertical de aproximadamente 60 metros, se desarrolla un nivel superior a lo largo y ancho de la estructura mineralizada para preparar una cámara superior de perforación desde la cual opera la perforadora. Se aplica a cuerpos mineralizados de gran buzamiento y preferentemente de gran potencia. El reducido costo de este método en sus diversos rubros (mano de obra, repuestos, explosivos, otros materiales) y su alta productividad hace atractivo su empleo. Hoy en el Perú existen recursos humanos con experiencia de este método que contribuyen al desarrollo de la ingeniería de minas del país. Las ventajas que nos ofrece este método sobre otros (Shirinkage, minado por subniveles, corte y relleno) es un menor desarrollo, empleo de taladros de grades diámetros, reduciendo los costos de perforación y voladura, uso de cargas esféricas que disminuyen el factor de carga, mayor seguridad ambiental y operativa, la perforación voladura y carguío son operaciones independientes, mejor fragmentación, posibilidad de grandes disparos con alta producción de mineral.

VERTICAL CRATER RETREAT

El “Vertical Crater Retreat” (V.C.R.) es un método de minado que se basa en la teoría de los cráteres y consiste, en producir el arranque del material mediante cargas esféricas. Estas cargas deben ubicarse en taladros verticales o inclinados a una distancia adecuada de la cara libre. Este método de explotación por VCR, es un método masivo de gran escala, basado en la teoría de cráteres empleando cargas esféricas. El método tiene una semejanza al método ¨shirinkage¨ ya que el minado se realiza con cortes horizontales que empiezan de abajo y avanzan hacia arriba, el mineral roto se acumula en los tajeos para soportarlos y luego se recupera el mineral desde el nivel inferior a través de un sistema de cruceros.

Figura 1: Método VCR. Fuente: Mining Handbook SME. 1. ANTECEDENTES Este método fue desarrollado en Canadá, conjuntamente entre INCO y la CIL, compañías productoras de mineral y explosivos por los años 1977 a 1978 gracias a los progresos de los equipos de perforación y las técnicas de voladura. El VCR fue estudiado por INCO como consecuencia de los altos costos y baja productividad en el minado de bloques de mineral y recuperación de pilares, con el método de explotación corte y relleno ascendente y descendente en las minas de Ontario - Canadá; para cambiar esta tendencia, se diseña el método que combina las ventajas de los métodos masivos con las ventajas del control del terreno de los métodos con relleno.

En esta mina se realiza pruebas del método VCR obteniéndose una producción de 3 000 t/día en tres tajeos. Usando este método en el que no se dejan pilares. Este sistema de explotación ha tenido un tremendo impacto en las operaciones de minado incrementando su aplicación como método de minado masivo, necesitándose aún continuar con las investigaciones para su optimización. Desde el año 1980 la aplicación de este método se extendió por las principales minas de Canadá, USA, Australia etc., en el Perú el VCR se aplicó en la mina Monterrosas en los años 1982 a 1985. Para el minado de las vetas de cobre; actualmente algunas compañías mineras de nuestro medio están estudiando la posibilidad de aplicarlo, ya que tienen cuerpos con las condiciones apropiadas que son minados por shrinkage, subniveles, corte y relleno, etc. El concepto y desarrollo de las voladuras en cráteres dio origen al método VCR. El cual fue desarrollado por C. W. Livingston (1956). Permitió hace unos años iniciar una nueva línea de estudios para el mejor entendimiento del fenómeno de las voladuras y la caracterización de los explosivos. La voladura en cráteres se realiza con cargas concentradas, esféricas o cubicas y con muy buena aproximación a cargas cilíndricas. Cabe mencionar que la suma de las cargas esféricas da una cilíndrica que por lo general se emplea en minería subterránea, pero a igualdad de carga explosiva, las cargas esféricas tienen mayor volumen de material roto que las cargas cilíndricas. La configuración geométrica de la carga explosiva, está en la relación longitud/diámetro de 6/1 que determina el tamaño y peso de la carga. Para entender mejor una voladura en cráteres se puede mencionar; que una voladura de cráter es un disparo cuando la carga esférica es colocada y detonada debajo de la superficie,

y que las ondas de choque se extienden en todas direcciones alrededor de dicha carga, donde el material circundante será afectado formando un cráter; este mismo efecto, se va a producir si la carga esférica e coloca dentro del techo del tajeo obteniéndose de este modo cráteres invertidos. En este tipo de voladura se ha encontrado que hay una relación definida entre la energía del explosivo y el volumen del material removido o roto, y esta relación es afectada significativamente por la profundidad donde se ubica la carga, el interrogante es encontrar la profundidad óptima donde se coloca el explosivo para obtener el mayor volumen de roca con una buena fragmentación. A una menor profundidad la energía se pierde en el aire, y mayores profundidades solo producirá menor volumen.

2. VENTAJAS DEL MÉTODO VCR  Se adapta bien a yacimientos estrechos del orden de 3 a 10 m de potencia, incluso con inclinación no muy elevadas.  Buena recuperación  Dilución moderada  Gran seguridad del personal y equipos  Costos unitarios bajos  Moderada flexibilidad  Buen grado de mecanización.  Como los pesos de las cargas por barreno o retardo son pequeños, los niveles de vibración generados no suelen ser altos.  La fragmentación es generalmente buena.  Reduce los costos de perforación y voladura

 Uso de cargas esféricas que disminuyen el factor carga

3. DESVENTAJAS DEL MÉTODO VCR  Elevados costos de las labores de preparación.  Si la ventilación no es buena, debe usarse ventilación secundaria.  Puede llegar a dañar a los hastiales por lo que existe en ocasiones riesgo de hundimientos.  El control de leyes resulta difícil, pues el material de cada disparo se amontona sobre el de la anterior y se mezcla durante su descenso.  Al finalizar la extracción puede desprenderse roca de los hastiales que produce un aumento de la dilución.

4. CONDISIONES DE APLICACIÓN DEL METODO Para la aplicación del método VCR, fundamentalmente, es necesario tener en consideración las características operacionales del equipo ¨donw the hole¨ o de similares características, por lo que el yacimiento debe ser de gran buzamiento y potencia. Las condiciones específicas que debe tener el yacimiento para la aplicación del método VCR son: a) El yacimiento debe ser de regular potencia, de tal modo que el equipo ¨down the hole¨, pueda perforar por lo menos dos hileras de taladros por sección y guardar cierta distancia de los contactos, con la roca encajonante, a fin de evitar la disolución al realizar la voladura. Por ejemplo, dependiendo del tipo de terreno (en cuanto se refiere, a la dureza y condiciones estructurales), diámetro de perforación y tipo de explosivo a usarse;

tenemos que para taladros de 6¨ de diámetro, considerando una malla de perforación de 3.0 x 3.0 metros y una distancia de 1.5 metros, de los contactos, la potencia optima seria a partir de los 6.0 m, puesto que potencias menores darían lugar a la dilución del mineral. De forma similar, para taladros de 4¨ de diámetro, considerando una malla de perforación de 1.5 x 1.5 m y a una distancia de 1.0 m de los contactos, la potencia optima seria a partir de los 3.5 metros. b) La condición de que el yacimiento debe tener un gran buzamiento, obedece a que en yacimientos verticales se tendrá óptimos resultados al requerirse menor número de niveles de desarrollo. Puesto que, la altura de los tajeos estaría limitada al alcance de la profundidad de perforación del equipo ¨down the hole¨, siempre que los permita la estabilidad o competencia de la roca encajonante. Esta condición, permite que se puedan perforar taladros verticales, ya que es sabido que la desviación de perforación es mínima. A medida que el buzamiento disminuye, se presenta una mayor desviación de los taladros de perforación. Además, la disminución del buzamiento, hace que los tajeos sean más cortos, requiriéndose consecuentemente un mayor desarrollo de niveles de perforación. 5. PARÁMETROS PARA LA SELECCIÓN DEL MÉTODO VCR  Potencia mínima de 3m.  Inclinación superior a 50°.  Contacto claro entre roca estéril y mineralizada.

6. PROCEDIMIENTO DE TRABAJO Una vez que se determina el rumbo e inclinación de los taladros, se procede a perforar en toda la longitud de la chimenea a desarrollar, esto se repite hasta completar la malla de perforación utilizada. Luego se procede a la voladura. 6.1. Perforación Las mallas de perforación, utilizan comúnmente diámetros de perforación entre 4" y 6 1/4”. Para ejecutar estos taladros largos se necesita un equipo de perforación potente que utilice un sistema Down The Hole (DTH), para obtener una adecuada utilización se le agrega un compresor de alta presión (Booster), que eleva la presión de la red de 90 psi a 240 psi. El sistema DTH o martillo en fondo se basa en que un martillo golpea directamente la boca en el fondo de la perforación. De esta forma se evita la pérdida de energía transmitida por la percusión del pistón a través del varillaje (a partir de 15-20 m, los martillos en cabeza dejan de ser efectivos).

Figura 2: Chimenea usando el método VCR. 6.2. Voladura  Comprende la siguiente secuencia de carguío (Ver Figura N° 05).  Medida inicial de los taladros.  Tapar / sellar el fondo de los taladros.  Cebado y carguío de los taladros.  Medida de altura de la carga.  Sellado superior.  Conexión al tren de encendido en el nivel superior. La influencia de la energía transmitida a la roca, según la profundidad de la carga y el volumen del material roto o removido por la voladura.  Cuando la carga es muy superficial: En este caso la mayor parte de la energía se transmite a la atmósfera en forma de onda aérea.

 Cuando la carga está a una profundidad excesiva: Donde toda la energía se aplica sobre la roca fragmentándola y produciendo una alta intensidad de vibración.  A profundidad intermedia: En este caso el cráter consigue el mayor volumen de roca removida.

Figura 3: Influencia.

Figura 4: Disposición de la carga en un taladro.

Figura 5: Método VCR

Figura 6: Carguío, malla y secuencia de voladura VCR.

Figura 7: Carguío, malla y secuencia de voladura en bancos invertidos VCR. 7. PARTES DE CRÁTER PRODUCIDO POR VOLADURA En las voladuras con cráteres invertidos, las dimensiones de los cráteres invertidos, las dimensiones de los cráteres aumentan debido a la influencia de la gravedad y las características estructurales de las rocas formándose cavidades alargadas de forma elíptica que corresponde a las zonas de rotura extrema o tensional. En los huecos creados se distinguen tres zonas concéntricas distintas: el cráter aparente, el cráter verdadero y la zona de rotura. Fig. La zona de rotura se subdivide a su vez en la de rotura completa y la de rotura extrema o tensional. En las voladuras con frentes invertidos, las dimensiones de los cráteres se ven influenciadas por el efecto de la gravedad y las

características estructurales de las rocas, formándose cavidades alargadas de forma elíptica que corresponden a las zonas de rotura extrema o " tensional. En las aberturas creadas se distinguen tres zonas concéntricas distintas:  Cráter aparente  Cráter verdadero  Cráter de rotura  Zona de rotura completa.  Zona de rotura extrema o tensional.

Figura 8: Zonas concéntricas.

Figura 9: Dimensiones de las cavidades creadas por cargas esféricas con frentes invertidos.

Figura 10: Influencia de la energía del explosivo.

8. VARIABLES DEL MÉTODO  Seguridad del método. El personal trabaja en todo momento fuera de la chimenea, con las ventajas que ello involucra. No se trabaja en ambiente tóxico, por acumulación de gases producto de la voladura.

 Longitud máxima del desarrollo La longitud máxima que se puede alcanzar esta dentro de los limites más o menos de 50 metros a 70 metros. Esta longitud esta dentro de los limites más o menos de 50 metros a 70 metros. Esta longitud estará limitada por la desviación de los taladros, que deben estar en un rango no superior a 1 % de longitud.

 Sección del desarrollo Las secciones más utilizadas van desde 2 x 2 metros hasta un máximo de 5 x 5 metros, aunque este límite puede ser mayor.

 Flexibilidad En cuanto a cambio de rumbo e inclinación Poca flexibilidad, debido a que solo es posible variar la sección inicial mediante desquinche con taladros largos, pero no el rumbo ni inclinación. 9. INFRAESTRUCTURA Requiere de una cámara de perforación en el nivel superior, con dimensiones de acuerdo al quipo a utilizar y un nivel de llegada para los taladros. Por otra parte, requiere de obreros especializados para el manejo del equipo perforador y operación de voladura. 10. VOLADURA TIPO CRÁTER Básicamente consiste en una carga esférica detonada en un taladro perforado, en un sector donde no existía una segunda cara libre, a una distancia mayor que su radio de influencia. 11. GEOMETRÍA DE LA CARGA La geometría y el proceso de fracturamiento en una carga esférica son diferentes al de una carga cilíndrica. En una carga esférica, la energía producida por los gases, se transmiten radialmente hacia fuera del centro de la carga en todas direcciones y se mueven de acuerdo a un movimiento uniforme y divergente. Como en la práctica se tiene que utilizar perforaciones cilíndricas, y por lo tanto cargas alargadas, se investigó cual era el efecto de una carga cilíndrica, con respecto al conseguido por otra de igual peso, pero esférica, estableciéndose que mientras la relación largo diámetro (L:D) sea menor o igual a 6, el mecanismo de fracturamiento y los resultados son

prácticamente los mismos. Las cargas esféricas han sido utilizadas tradicionalmente en una dirección vertical o inclinada hacia arriba, para formar un cráter hacia una cara libre.

Figura 11: Voladura tipo crater.

Figura 12: Mecanismo de accion de una carga esferica. 12. TEORIA DEL CRATER Livingston inició una investigación destinada a establecer el efecto que produce una determinada carga esférica a profundidades crecientes en una determinada formación, observando que a medida que se aumentaba la profundidad se incrementaba el volumen del cráter de roca fracturada hasta alcanzar un máximo denominada “Profundidad optima” (Do), para luego comenzar a disminuir hasta que a una profundidad mínima que llamo “Profundidad critica” (N), no se produce fracturamiento en la superficie. A la relación entre estos dos parámetros los denominó “Coeficiente de profundidad Optima”.

También estableció que el volumen de roca fracturado es proporcional a la energía entregada por el explosivo, y que esta relación es profundamente afectada por la ubicación de la carga respecto a la superficie. Todo lo observado lo resumió en las siguientes formulas:

Figura 13: Parámetros de la teoría del cráter.

Luego si se despeja Dc en la ecuación 3 y se reemplaza el valor de N de la ecuación 2 se llega a:

La profundidad óptima de la carga, en que maximiza el volumen del cráter, se obtiene encontrando o a partir de la ecuación 1. Otra relación importante, es la ecuación que sirve para describir la acción del explosivo para fracturar la roca. Esta se expresa a continuación:

El máximo de A será 1 cuando Dc =Do y V = Vo. Es una medida de la parte del explosivo utilizado en fragmentar. C = Efecto de la forma de la carga El valor de C es la razón adimensional del nivel de energía expresado como un volumen del cráter bajo cualquier condición al nivel de energía del cráter de un disparo bajo condiciones de prototipo (L : D menor o igual a 6 : 1). B = Índice del comportamiento del material. B se puede obtener despejando W de la ecuación 2 y reemplazándolo en la ecuación 5, de ahí se tiene:

Ahora cuando una carga esférica se coloca en Do, V = Vo y A = C = 1 se tiene:

El índice del comportamiento del material de acuerdo a Livingston, es una medida de la parte de la energía del explosivo que se utiliza en el proceso de fracturar, compactar y deformación plástica que precede a la fragmentación.

13. PRUEBAS DE LOS CRÁTERES Antes de introducir en extenso el método V.C.R. es necesario realizar pruebas de un disparo piloto para recopilar información sobre el comportamiento de los explosivos en el o los tipos de roca del yacimiento. Debido a que el factor “E” es una constante adimensional que depende de las propiedades del explosivo y del tipo de roca, es conveniente analizar el explosivo a utilizar. En la figura se muestra una curva ideal para el fracturamiento producido por la onda de choque en función de la profundidad de la carga. Se construye una curva de V / W (nivel energético) versus Dc / N (razón de profundidad), a partir de pruebas piloto, esto permite identificar el comportamiento de la fragmentación de la roca. Descripción de las pruebas de crateres

A continuación, se detallan los pasos a seguir para realizar pruebas de cráter y la utilización de los datos obtenidos para realizar el cálculo y diseño de la malla de perforación V.C.R.

Figura 14: (v/w) vs (Dc/N) V = VOLUMEN DEL CRATER W = PESO DE LA CARGA EXPLOSIVA Dc = PROFUNDIDAD DE LA CARGA N = PROFUNDIDAD CRITICA ∆o = COEFICIENTE DE PROFUNDIDAD OPTIMA

Para determinar la profundidad óptima y la distancia óptima de las cargas, con respecto a la superficie, se realiza ensayos en los que se debe seguir las siguientes recomendaciones: a) Las pruebas se harán sobre el mismo material, con el mismo explosivo a emplearse en la producción, es decir el explosivo, el peso del explosivo y la roca tendrán que ser constantes, sólo tendrá que variar la distancia “db” a la que se ubica el explosivo. b) Las pruebas se harán sobre el mismo material, con el mismo explosivo a emplearse en la producción es decir el explosivo, el peso del explosivo y la roca tendrán que ser constantes, sólo tendrá que variar la distancia “db” a la que se ubica el explosivo. c) El diámetro de los taladros deberá ser en lo posible mayor o igual a 4 pulgadas.

d) Los taladros deben ser perpendiculares a la cara libre en lo posible. e) La serie de longitudes de los taladros será lo más grande posible para disponer de amplio rango de profundidad de carga. f) Las cargas explosivas tendrán una relación Longitud/Diámetro de 6/1. g) La distancia crítica (N) se obtiene por observación: los cráteres son excavados y medidos sus volúmenes, con los datos obtenidos de la relación de profundidad (Δ=db/N) y el nivel de energía (V/W) se gráfica la curva.

Figura 15: Ensayo de radio de profundidad en un cráter. Esta curva idealizada, nos muestra la transición de la zona de pérdida de energía hacia el aire, rango de rotura de volúmenes de roca, hasta la región de la disminución del volumen del cráter. Establecida la curva, tornando los datos apropiados de ella, se diseña la voladura a escala de producción satisfaciendo cualquier demanda, obteniendo también la distancia óptima (do) que da el mayor volumen y fragmentación requeridos.

CONCLUSIONES  El método V.C.R. genera una alta producción de mineral ya que es más seguro que otros métodos debido a que el personal trabaja fuera de la chimenea no estando expuestos a los gases y/o caída de roca por efecto de la voladura.  Las pruebas de los cráteres se deben realizar sobre el mismo tipo de roca y con el mismo tipo de explosivo que se piense emplear en las voladuras de las chimeneas.  El costo por metro lineal de las chimeneas usando el método VCR es un 10 – 15% menor que las chimeneas convencionales. Comúnmente se considera por cualquier método un avance de 1.5 m por guardia, pero con el método VCR se puede alcanzar hasta 3 m de avance por guardia.  El daño de algunos taladros usando método VCR podría deberse a si se presenta alguna falla geológica en la veta.

BIBLIOGRAFIA Nakagawa, Luis (1983). Método VCR en Sudamérica (Tesis de pregrado). Universidad Nacional de Ingeniería, Lima. Estacio, Gomer (2015). Aplicación del método de explotación VCR para optimizar la producción en la mina Melissa (Tesis de pregrado). Universidad Nacional del Centro del Perú, Huancayo. Gálvez et al. Métodos de explotación subterránea (Monografía). Universidad Nacional de Cajamarca, Cajamarca. Llanque et al. (1999. Explotación Subterránea: métodos y casos prácticos. Puno, Perú: Perú offset editores. Tipe, Victor (2004). Implementación de chimeneas usando el método VCR en la compañía consorcio Minero Horizonte (Tesis de pregrado). Universidad Nacional de Ingeniería, Lima. Anónimo. Método de explotación VCR en la mina Monterrosas.