planificación minera subterránea diseño de caserones
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7/21/2019 Planificación Minera Subterránea diseño de caserones
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Apunte planificación minera subterránea 2 15
Por David Meneses
Diseño de unidades de explotación subterránea
Para mantener la seguridad dentro de las unidades de explotación subterránea o caserones,
las dimensiones para el diseño de estos debe hacerse de acuerdo a las condiciones geotécnicas
donde estará emplazada la futura explotación siempre teniendo en cuenta la recuperación,
dilución y posteriormente los costos que ocasionará tal diseño.
Si bien existen muchas maneras de caracterizar la estabilidad de un macizo rocoso para su
posterior diseño una de las formas más aceptadas de diseñar las unidades de explotación
subterráneas comúnmente denominadas caserones es la metodología de Matthews la cual
relaciona la estabilidad del macizo rocoso y la geometría del caserón expuesto.
Debido a que la determinación de las calidad de un macizo y de las condiciones a las cual está
sometidas son determinadas por datos producto de un estudio más acabado, este curso se
limita a un diseño conceptual de un caserón o unidad de explotación subterránea.
Metodología de Matthews
El numero de estabilidad se define como
Donde :
Q=índice de calidad de túnel de Barton
A=Ajuste por esfuerzo inducido
B=Ajuste por estructuras interceptando la pared a estudiar
C=Ajuste por orientación de la excavación
Luego de determinado este indicador, la metodología propone un gráfico que relaciona la
estabilidad con las dimensiones de un cara a través del radio hidráulico.
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Radio hidráulico se define como:
Cabe mencionar que existe un radio hidráulico distinto para cajas y coronas. Para este curso se
ocupará el mismo radio hidráulico tanto para corona como cajas teniendo en cuenta el lector
que en la realidad este varia.
Ejemplo:
Se ha determinado un indicador de estabilidad N=44
Por la metodología grafica se puede determinar el radio hidraulico , resultanto un radio
hudraulico que se situa entre 10 a 15, siendo el punto medio entre ambos extremos 12,5
Figura 1: Gráfico de Matthews
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Si quisiéramos diseñar una unidad de explotación idealizada, esta se asemejaría a un
paralelepípedo en la cual sus caras son rectángulos con lados A y B, es posible una vez
determinado el radio hidráulico y un lado de la cara del paralelepípedo A, determinar el otro
lado B para el cual esa cara es estable.
En efecto se puede deducir una relación analítica:
De la relación anterior se observa que en el denominador si A < 2 , entonces B será
negativo, lo cual no tiene sentido. Sin embargo el radio hidráulico para efectos de diseño
puede ser reducido y aun así la pared debiera ser estable.
Ejemplo:
Sea =12 y A= 20 mts.
Si se determina el lado según la relación expuesta anteriormente B= -120 lo cual no tiene
sentido
Sin embargo Si entonces A=180 mts. La cuales son las dimensiones máximas para las
cuales esa pared es estable
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Diseño de la sección transversal de un caserón
Si bien el termino caserón está asociado con los métodos denominados “open stope” o decaserón auto soportados como lo es sub-level stoping, long blast hole o VCR, existen muchas
variantes que pueden incluir relleno como el método bench and fill, en la cual la característica
que comparten todos estos métodos es la secuencia de la tronadura o avance. La sección del
caserón que es perpendicular a la dirección de avance de la tronadura es considerada
transversal.
Una importante característica a considerar antes de diseñar una sección transversal es la
morfología o configuración del cuerpo mineralizado o envolvente económica.
En el caso de yacimientos vetiformes sub-verticales el ancho de la sección está definido por la
potencia de la veta por lo que se necesita saber solo altura para la cual el caserón será estable.
Figura 2: Sección transversal en una veta sub-vertical
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El caso contrario son los yacimientos sub-horizontales, como por ejemplo los yacimientos
mantiformes o lenticulares , la potencia del yacimiento determina la altura de la sección por lo
que se necesita saber el ancho para el cual la sección es estable.
En la figura siguiente en achurado se aprecia la dilución de techo y piso producto del diseño, es
posible modificar la altura o trasladar el caseron de tal forma de aumentar la recuperación del
método.
Figura 3: Sección transversal en un cuerpo sub-horizontal
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Ejemplo :Diseñe la sección transversal de un caserón idealizado usando un radio hidráulico =
12 en todas sus paredes.
Este ejemplo será desarrollado en Vulcan. En la pantalla del envisage se tienen diferentes
herramientas y paneles que nos ayudaran a diseñar las unidades de explotación. En la
siguiente figura se muestran algunas de estas herramientas
Figura 4: Envisage de Vulcan
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Una de las herramientas más importantes a dominar son las herramientas de visualización ya
que con ellas se puede apreciar de la mejor forma posible la ubicación espacial del diseño.
Parte importante de visualizar un diseño, es tener la correcta perspectiva de los objetos que
tenemos en la pantalla del envisage, esto lo podemos lograr con la herramienta look for point
ubicada al costado derecho de la pantalla como se aprecia en la
figura siguiente
Si mantenemos clickeado con el botón
izquierdo se desplegaran una serie de botones
los cuales son vistas o perspectivas, como se
muestran en la siguiente imagen:
Figura 5: Look From Point
Figura 6: Perspectivas o vistas
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Otra forma muy útil de visualizar o apreciar un cuerpo mineralizado o envolvente económica
para poder diseñar es utilizando planos de corte del
sólido o vista de sección, esto se puede hacer en Vulcan
presionando la herramienta create section view, situada
en la parte superior de la pantalla como se muestra en lasiguiente figura:
Si presionamos créate section view aparecerá el siguiente cuadro de dialogo:
Opción
permite definir
un plano
vertical a
través de dos
Inclinación del
plano definido
por dos puntos
Definir un plano
horizontal a
través de un
nivel (eje Z)
determinado
Figura 7: Create Section View
Figura 8: Configuración Create Section view
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Si seleccionamos generar un plano de sección a través de dos puntos y presionamos ok, en la
pantalla se nos pedirá los dos puntos que definirán el plano de sección como se muestra en la
figura.
Figura 9: Plano de sección en vista planta
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Una vez hemos realizado la operación nos aparece la sección o plano de corte del sólido, en
este caso el cuerpo mineralizado. A través del botón toggle sliced view podemos salir de la
sección o viceversa.
Figura 10: Toggle Sliced View, botón para ver sección y deshabilitarlas
Si clickeamos toggle sliced view con el botón derecho del mouse nos aparecerá un
cuadro llamado slice, este cuadro sirve para modificar el plano de corte o sección como se
muestra en la siguiente figura
Distanciaentre un
plano de
corte y otro
Distancia de
visualización
desde el plano de
corte o sección
hacia atrás
Distancia de
visualización
desde el plano
de corte o
sección hacia
adelante
Saltar a un plano
de corte o
sección paralelo
adelante o atrás
Figura 11: Configuración de las propiedades de la sección
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Otra herramienta muy
importante para poder dimensionar y
ubicar un cuerpo mineralizado en el
espacio es la grilla. Esta puede ser
visualizada o abierta clickeando toggle
grid display como aparece en la
siguiente figura
Clickeando con botón secundario o derecho a toggle grid display aparecerá una
cuadro grid properties o propiedades de la grilla como se muestra en la imagen siguiente:
Dimensiones de
la grilla según el
eje
Plano en el cual
trabaja la grilla
Figura 12: Toggle Grid DIsplay, botón para visualizar grilla
Figura 13: Configuración de las dimensiones del grillado según eje
Figura 14: Cambio de plano de visualización de la grilla
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Ya pudiendo ver el cuerpo mineralizado desde diferentes perspectivas, eligiendo una de estas
y realizando un corte o sección apoyados por el grillado estamos en condiciones de poder
diseñar la primera sección transversal.
Para ello debemos crear una layer si es que no hemos hecho una anteriormente , como se
observa en la imagen siguiente.
Figura 15: Creación de layer
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Como se ha mencionado antes, para cuerpos mineralizados sub-horizontales debemos
considerar la potencia como la altura del caserón idealizado. Como se ve en la siguiente figura,
la altura usada va desde la cota 59 hasta la cota 76, es decir 17 metros.
Figura 16: Sección transversal considerando la altura del caserón
Para dimensionar el ancho del caserón debemos recurrir a la fórmula del radio hidráulico para
secciones rectangulares. Debido a que tenemos una altura y el radio hidráulico reemplazamos
los valores en la formula:
Debido a que el valor de ancho es negativo necesitamos cambiar el radio hidráulico, este
nuevo valor debe ser menor para que se conserve la estabilidad, en nuestro caso y para
efectos de diseño se utilizara el valor de 8, por lo que recalculando el ancho para el cual la
sección es estable es:
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Si bien el ancho de nuestra sección puede llegar a ser de 272 metros, el ancho del cuerpo
mineralizado no supera los 35 mts. por lo que este último será el ancho a utilizar para sección,
lo cual se muestra en la siguiente imagen:
Figura 17: Sección transversal diseñada y estable
El problema de un caserón idealizado es que no se adapta a la forma del cuerpo por lo que no
se extraen ciertas zonas y otras zonas tienen alta dilución, generalmente en los techo para
cuerpo sub-horizontales. Esto se aprecia en la siguiente imagen en achurado para zona con
dilución en rojo y celeste mineral sin recuperar.
Figura 18: Falta de recuperación y dilución se una sección transversal rectangular
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Para solucionar este problema y de manera pedagógica y conceptual, ocuparemos la
herramienta move con la cual trasladaremos la sección un poco más abajo para que se
recupere mas mineral del piso de caserón como se parecía en la siguiente figura.
Figura 19: Herramienta Move
Manteniendo clickeada se puede desplegar otro tipo de herramientas para mover objetos
Figura 20: Opciones adicionales de Move
También es importante seleccionar en el panel inferior snap to points , esta herramientas sirve
para restringir la opción de objetos a solo los puntos de estos. En nuestro caso para trasladar
la sección nos tomaremos como punto de referencia un vértice de la sección por lo que si no
seleccionamos snap to points no podremos seleccionar exactamente el vértice.
Figura 21: Snap to points
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La herramienta move nos pedirá como habíamos mencionado anteriormente un punto de
referencia el cual se pondrá dentro de un vértice de la sección y también nos pedirá un punto a
cual trasladar el punto, en nuestro caso particular trasladaremos la sección dos metros más
abajo, como se muestra en la en la figura.
Figura 22: Traslado de sección transversal
Es probable que cuando quiera presionar el segundo punto de
traslado no se pueda realizar, esto es debido a que tiene activada la
opción snap to points con la cual solo puede clickear punto en la
pantalla. Para poder clickear en cualquier punto de la pantalla debe
seleccionar indicate.
Luego se abrirá el cuadro translation option en cual se
ofrecen diversas opciones de translación, como lo que se
requiere es solo trasladar el objeto seleccionaremos
translate original
Figura 23:Indicate
Figura 24: Opciones de traslado
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Terminado el traslado de la sección la siguiente imagen en rojo muestra la sección trasladada y
en verde la sección en su posición original.
Figura 25: Traslado vertical de sección transversal, en verde antigua posición y en rojo sección trasladada
Ahora que tenemos diseñada la primera sección debemos dimensionar la secciones
longitudinales, la cuales son las cajas y el techo.
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Dimensionamiento de cajas
Las cajas son las paredes laterales del paralelepípedo, como sección longitudinal comparten la
altura con la sección transversal, es decir la cajas tienen una altura de 17 metros.
Tomando en consideración un radio hidráulico igual que para la sección transversal, es decir la
cajas poseen un radio hidráulico de 12, en base a esto y usando el mismo método para
dimensionar los lados una sección rectangular se llegará a que el largo en este caso podrá ser
de hasta 272 mts, sin embargo desde la perspectiva de perfil el cuerpo mineralizado se puede
aprecia que el largo desde la sección transversal hasta donde se termina el cuerpo es de
aproximadamente 50 metros.
Sin embargo todavía no diseñaremos con esa dimensión puesto que las cajas comparten el
largo con la coronas y determinaremos el largo considerando ambas caras.
Figura 26: Vista del perfil, en rojo sección transversal
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La corona o hangwall comparte el ancho de 35 metros con la sección transversal, si bien en la
realidad generalmente le radio hidráulico es distinto para las coronas, de forma pedagógica se
mantendrá el mismo valor. Determinando de la misma manera el largo de la corona con un
ancho de 35 y un radio hidráulico de 12 se tiene:
Ahora si bien el largo máximo que puede tener la corono es de 76,4 mts, una
vista de planta demuestra que el cuerpo de aproximadamente 50 mts. de largo se vaacortando en su ultimo 40 mts. Por lo que diseñar el caserón con 50 mts. implicaría mucha
dilución, dejando el largo para efectos de diseño en 40 mts.
Figura 27: Vista de planta cuerpo mineralizado, en rojo sección transversal
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Finalmente las dimensiones para un caserón idealizado son:
Alto=17 mts.
Ancho=35 mts.
Largo= 40 mts.
Si bien tenemos las dimensiones de nuestro caserón necesitamos dibujar en la pantalla
otra sección transversal paralela y en un plano separado 40 metros desde la primera sección
ya diseñada, esta distancia tiene que coincidir con el largo del caserón pues en realidad estas
dos secciones transversales son las dos caras del caserón con la cuales triangularemos un
sólido.
Para realizar esta labor nos apoyaremos de la misma herramienta slice , en la cual
cambiaremos a un plano paralelo al plano actual. Como la distancia entre el plano en el cualfue dibujada la primera sección y el plano donde vamos a dibujar la otra sección es el largo del
caserón (40mts), cambiaremos el campo step de 5 a 40 como se muestra en la siguiente figura.
Después presionamos slice forward para saltar a ese plano.
Figura 28: Cambio de plano de sección
Es probable que una vez cambiemos de plano no veamos nuestro de diseño de la primera
sección, el cual necesitaremos para diseñar la segunda sección transversal.
Para poder visualizarla tenemos que cambiar el campo back de 5 mts. a más de 40 mts., como
por ejemplo 45 mts. como se verá en la siguiente figura:
Figura 29: Sección transversal visualizada desde otro plano de sección
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Si bien vemos la sección que diseñamos antes nos encontramos en otro plano por lo
que todo los que diseñemos se limitara solo a este, es en este momento que procedemos
dibuja a través de la herramienta rectangle tratando de calcar lo más exacto posible la
primera sección visualizada. En verde se apreciará la segunda sección dibujada.
Figura 30: Secciones transversales vista de frente
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Una mejor apreciación de lo que hemos creado se puede hacer quitando el plano de
corte y poniendo en perspectiva el sólido, resultando algo como lo que se visualiza en la figura:
Figura 31: Dos secciones transversales rectangulares de un caserón idealizado
Ahora que tenemos las dos secciones paralelas diseñadas poder triangular un sólido, el cual
será de mucha utilidad para más adelante pues tendrá volumen y tonelaje.
Para eso iremos a model -> triangle solid -> créate
Figura 32: Crear triangulación
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Presionando este menú no aparecerá un cuadro como el que se muestra en la figura donde
debemos clickear construct first end plate y construct last end plate para que el sólido una
vez se cree pueda estar cerrado.
Figura 33:Ajustes para la creación de triangulación
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Presionamos ok y debemos seleccionar las dos secciones transversales, si lo hicimos bien se
nos preguntara de qué color queremos que sea la triangulación y luego se nos preguntara si
queremos seleccionar otra sección o dibujo, lo cual por el momento no necesitamos por lo que
clickeando el segundo botón del mouse en cualquier parte dos veces nos aparecerá el
siguiente cuadro:
Figura 34: Confirmar la creación de sólido
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Y presionamos save edit , luego de esto nos aparecerá un cuadro como el que se muestra en
pantalla
Figura 35: Guardar sólido
Ubicación
donde se
almacenará el
archivo de la
trian ulación
Nombre de la
triangulación
Color de la
triangulación
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Presionando ok , se guardara el archivo de la triangulación y podremos visualizarla
normalmente en la pantalla y en el explorador de vulcan (vulcan explorer ) como se muestra en
la pantalla
Figura 36: Caserón idealizado y cuerpo mineralizado
Finalmente con esto hemos realizado nuestro primer caserón de forma idealizada.
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Debido a que para las operaciones subterráneas es muy importante la seguridad, el control de
las paredes es un tema tangencial para la planificación en muchos aspectos como por ejemplo
dilución no planificada, costos y tiempo de fortificación, o el relleno para caserones inestables.
Es la razón de registrar los parámetros de diseño adecuadamente. Para caserones idealizados
se ocupara la siguiente forma de registrar al menos tres de sus lados ortogonales junto con sus
sus radios hidráulicos de diseño.
En primer lugar coloque nombre, número o letras a cada vértice del paralelepípedo, esto se
hace con desing-> create-> create text como se aprecia en la siguiente figura:
Figura 37: Crear texto
Presionando la herramienta nos pedirá seleccionar el punto donde se colocará la letra, por lo
que tenemos que apretar snap to point nuevamente para que efectivamente el texto este
ubicado en el vértice y no en otra parte.
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Luego si no tenemos un layer asignada para el texto, se nos permitirá crear una antes de
introducir el texto.
Cuando hemos creado la layer, nos aparecerá un recuadro donde debemos colocar el texto, eneste caso a cada vértice lo representaremos con una letra.
Figura 38: Cuadro de generación del texto
Debemos repetir esta operación para cada vértice con las letras del alfabeto que usted quiera.
Ahora que cada vértice tiene asignada una letra podemos nombrar a cada arista o lado por las
letras de sus vértices extremos. Ej: el lado que se encuentra entre los vértices A y B, se llamara
AB.
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La siguiente figura muestra los nombre de los vértices para el caserón idealizado creado.
Figura 39: Caserón idealizado y sus vértices
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De acuerdo a la notación y a las dimensiones del caserón explicadas anteriormente, la tabla
siguiente puede resumir el proceso de diseño de un caserón idealizado
Tabla 1: Paredes de caserón idealizado con sus correspondientes parámetros de diseño
radio hidráulico Lado 1 Lado 2
nombre Medida
Matthews Diseño Nombre medida Estabilidad
diseño
Sección
transversal
12.000 8.000 DA 17.000 BA 272.000 35.000
caja 12.000 8.000 DA 17.000 AC 272.000 40.000
techo 12.000 12.000 FD 35.000 DE 76.364 40.000
Una de las desventajas de nuestro método de diseño con vulcan es que hemos diseñado las
secciones de forma manual sin el apoyo de una herramienta precisa para dimensionar las
medidas. Una forma de cerciorarse de que efectivamente las medidas de cada arista miden lo
que diseñamos o al menos está cerca.
Para ello utilizaremos la herramienta distance between points que se ubica dentro del panel de
herramientas de medición como se muestra en la figura:
Con ella y siempre teniendo presionado snap to point
Radio
hidráulico
obtenido
mediante
grafico
Radio
hidráulico
modificado
para evitar
dimensiones
negativas
Longitud de
máxima
estabilidad
para una
pared
Longitud
ocupada
para el
diseño del
caserón
Figura 40: Distance between points
Figura 41: Snap to points
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Medimos cada arista que hemos introducido en el cuadro anterior. Para el caso del ejemplo
que hemos estado desarrollando se midieron todas las aristas mencionadas en el cuadro
anterior y el cambio es el siguiente:
Tabla 2: Paredes de caserón idealizado con sus parámetros de diseño modificados
radio hidráulico Lado 1 Lado 2
nombre
Medida
Matthews Diseño Nombre medida Estabilidad diseño
Sección
transversal
12.000 8.000 DA 17.030 BA 264.544 35.115
caja 12.000 8.000 DA 17.030 AC 264.544 40.105
techo 12.000 12.000 FD 35.115 DE 75.822 40.105
Esto refleja lo inexacto del procedimiento que se realiza aunque sin embargo la diferencia no
es considerable, aunque esto es relativo al tipo de mineralización que estemos trabajando.
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Diseño de caserón no idealizados
En la práctica es dificultoso poder aplicar un caserón paralelepípedo a una explotación minera,
especialmente porque no se adapta a la forma del cuerpo mineralizado ocasionando dilución o
poca recuperación.
Si bien el diseño de un caserón requiere de experiencia previa y conocimientos más acabados
del yacimiento (mineralización, estabilidad, prácticas operacionales, etc) una forma básica de
realizarlo es la siguiente.
Tomando como base el ejemplo anterior tenemos una sección transversal cualquiera como semuestra en la figura siguiente.
Figura 42: Sección transversal de un caserón idealizado
Crearemos una nueva layer y luego usaremos la herramienta polygon
Figura 43: Polygon
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Con esta herramienta y usando como guía la sección rectangular especialmente en el piso y en
el techo seguir la línea del cuerpo mineralizado como se visualiza a continuación:
Figura 44: Sección transversal de un caserón no idealizado, en azul
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Esta misma acción se puede realizar en cualquier otro plano en el cual se intercepte el caserón
idealizado (sección rectangular) con el cuerpo mineralizado como se muestra a continuación
Figura 45: Sección de un caserón idealizado y cuerpo mineralizado
Usando el mismo criterio anterior, respetando el piso del caserón idealizado y tomando el
techo con la forma del cuerpo mineralizado se tiene en azul en la figura siguiente:
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Apunte planificación minera subterránea 2 15
Figura 46: Sección de un caserón idealizado y cuerpo mineralizado. En azul sección transversal de un caserón
De esta forma podríamos hacer las secciones transversales que estimemos
convenientes para luego triangularlas por el mismo método que usamos con el caserón
idealizado.
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En la siguiente imagen se muestra una serie de secciones transversales en azul y el
cuerpo mineralizado
Figura 47: Múltiples secciones transversales de un caserón
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Luego al triangular usando las secciones en azul esta el nuevo caserón, en rojo el caserón
idealizado y en amarillo el cuerpo mineralizado. Como se aprecia, logra reducir en diseño la
dilución producto producto del techo
Figura 48: Cuerpo mineralizado, caserón idealizado y caseron adaptado al techo del cuerpo mineralizado
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