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Interacción Mina Rajo Abierto con Mina Subterránea Page 1
PROCEDIMIENTO PARA LA DETECCION Y MANEJO DE
INTERFERENCIA MINA RAJO ABIERTO CON MINA SUBTERRANEA
Edmundo Bermedo G.
Ingeniero Geomecánico División El Soldado AngloAmerican Sur. [email protected]
Danko Diaz C.
Superintendente Geomecánica División Los Bronces AngloAmerican Sur. [email protected]
Manuel Schellman M.
Ingeniero Geomecánico Senior AACH. [email protected]
RESUMEN
En la actualidad existen muchas operaciones mineras que han pasado de minería subterránea a
minería en rajo abierto, con la finalidad de poder incrementar la producción de mineral, esto trae
consigo el gran riesgo que es trabajar sobre labores subterráneas antiguas reconocidas o no
reconocidas, una de las actividades del ingeniero geomecánico es minimizar los riesgos asociados
a la interacción rajo-subterránea, garantizando una operación segura a personas y equipos.
INTRODUCCION
Mina El Soldado, es una operación de AngloAmerican que está emplazada en la cordillera de la
costa a 130 km al noreste de Santiago en la comuna de Nogales; V Región. Esta división presenta
una fuerte interacción entre la actual operación a rajo abierto y la antigua mina subterránea
existente. La interacción de Rajo con minería Subterránea es una condición que genera un riesgo
en la operación a rajo abierto debido al colapso no controlado del piso por hundimiento de
cavidades vacías, esta condición ha cobrado muchas vidas a nivel mundial, dentro de las
actividades y funciones del área de geomecánica está garantizar una operación segura para
personas y equipos, para esto se cuentan con herramientas administrativas del tipo
procedimientos de detección, auscultación y control de cavidades y además protocolos para la
perforación, tronadura y carguío en zonas con labores antiguas. En el desarrollo de este trabajo se
mostrarán y describirán las actividades con las cuales se logran minimizar y controlar los riesgos
de exposición para personas y equipos ante colapsos no controlados de piso, para lo cual se
consideran medidas de detección (sondajes, inspecciones, etc.), auscultación (cámaras de
inspección, scanner de cavidades, sistemas geofísicos, etc.), control (instrumentación para
medición de losa efectiva y avance de esta), Relleno (diseño de chimenea para rellenar cavidad,
VCR) y Hundimiento (diseño de malla para hundimiento de labor rellena).
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INTERACCION RAJO ABIERTO – MINA SUBTERRANEA
La mina subterránea de división El Soldado comenzó sus operaciones el año 1842 mediante el
método de sublevel stopping, esta mina permaneció operando hasta diciembre del año 2010,
fecha en la cual fue cerrada definitivamente para la operación, manteniendo solamente abierto el
acceso para inspecciones geomecánicos y evacuación de aguas provenientes del rajo.
Paralelo a esto el año 1989 se comenzó con la explotación a rajo abierto en el sector sobre la
antigua mina subterránea, lo que trajo consigo la interacción con labores subterráneas dentro de
las cuales se pueden destacar las grandes cavidades rellenas (caserones conectados a superficie
mediante un proceso de caving), cavidades menores rellenas (caserones rellenos directamente
desde la subterránea mediante material proveniente del avance subterráneo), cavidades menores
vacías (caserones que en la actualidad se mantienen vacíos), galerías, piques de traspaso,
chimeneas y Ore Pass.
Actualmente la operación a rajo abierto interactúa directamente con 4 grandes cavidades rellenas
(caving conectado a superficie) las cuales son Santa Clara, Valdivia, California y Arauco. (Figura
1)
Figura 1 Grandes cavidades conectadas a superficie.
Dentro de las medidas de control para la interacción con labores subterráneas, se han establecido
los siguientes procedimientos para la detección y control según el tipo de necesidad:
Cavidades Mayores(Caserones y Ore Pass):Se debe realizar una primera detección desde la
superficies como mínimo a los 100 metros en caserones y 40 metros a los Ore Pass, esto con la
finalidad de verificar la condición real de la cavidad respecto a su diseño original, con esta
información se puede proyectar el relleno considerando la losa mínima entre la superficie y la
cavidad (Crown Pillar), esto se define principalmente observando el estado del caseron
(sobreexcavacion, caving, entre otros), posterior al relleno de la cavidad se debe planificar una
tronadura que permita realizar el hundimiento del techo y rellenar los espacios vacíos en el
contorno. (Figura 2)
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Figura 2 Esquema detección y control cavidades mayores.
Cavidades Menores: Chimeneas y Galerías, la detección desde superficie debe realizarse como
mínimo a los 30 metros en chimeneas y 20 metros en galerías. Para las chimeneas una vez
realizada la auscultación debe definirse la tronadura que sea capaz de romper el Crown-Pillar,
cuando el disparo se haya realizado, se debe marcar una zona de seguridad en la cual todo el
material al interior se extraerá con excavadora fuera de los límites de la zona de seguridad
definida, cuando la chimenea rompe a superficie se llena con material no mayor a ¼” del diámetro
de la chimenea. (Figura 3). En el caso de galerías una vez que han sido detectadas, se
replantean en superficie y se planifica tronadura de hundimiento la cual consiste en perforar tiros
en el techo y a los costados de la galería, para producir el colapso. (Figura 4)
Figura 3 Esquema detección y control chimeneas.
Figura 4 Esquema detección y control galerías.
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Para que este procedimiento cumpla a cabalidad su objetivo, se deben incluir a las áreas
directamente involucradas con la finalidad de desarrollar esta tarea de la forma más segura y
eficientemente posible, las áreas involucradas son:
Planificación: Incorpora y programa en planes de mediano y corto plazo las tareas asociadas
cuando se detecten cavidades (auscultación, mallas de tronaduras, rellenos, etc.)
Operaciones Mina: Debe cumplir con las recomendaciones emitidas por geomecánica y
programadas por planificación.
Tronadura: Diseñara en conjunto con geomecánica planes de perforación para hundir y rellenar
cavidades.
Geomecánica: Es el grupo encargado de definir el programa de auscultación de cavidades
mayores, para así definir el crown-pillar que garantice una operación segura en el rajo, además
trabajara en conjunto con planificación, operaciones mina y tronadura.
MEDIDAS OPERATIVAS PARA GARANTIZAR UNA OPERACIÓN SEGURA
Si bien el procedimiento utilizado es la base para garantizar una operación segura, a medida que
las operación en el rajo se aproxima a las antiguas labores subterráneas el riesgo incrementa, por
esto se han desarrollado programas de auscultación mediante sondajes de aire reverso,
adquisición de sistemas laser para escaneo de labores, métodos de prospecciones geofísicas y se
han desarrollado equipos de inspección rápida que permitan disminuir las incertezas relacionadas
entre la interacción Rajo-Subterránea.
Las medidas de control operativas se indican a continuación:
Plan de auscultación: Se ha definido un plan de auscultación mediante sondajes de aire reverso
de 105 m de profundidad, estos sondajes se dividen en 3 grupos sondajes:
- Sondajes en Roca, para garantizar un piso seguro a la operación minera, figura 5 izquierda.
- Sondajes en Cavidades Rellenas, para mejorar los modelos de leyes existentes en esas áreas,
figura 5 central.
- Sondajes en contactos roca-cavidades rellenas, para verificar los límites presentes en el modelo
y así modificar los diseños mineros, figura 5 derecha.Figura 5
En la actualidad se han perforado más de 6500 metros de sondajes de auscultación
geomecánicos por un costo aproximado de 700 kUSD.
Figura 5 Plan de sondajes de auscultación en roca, cavidades y contactos roca-cavidad
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Sistemas laser para escaneos de labores: Con la finalidad de poder visualizar la geometría real en
cavidades y galerías, se cuenta con equipos scanner especialmente diseñados para realizar
levantamientos topográficos tanto desde la mina subterránea como desde superficie a través de
los sondajes. Los equipos utilizados principalmente son dos el CMS (Cavity Monitoring System) y
el C-ALS (Cavity Auto Laser Scanning), la diferencia entre ambos radica en que el CMS se utiliza
principalmente para escaneos a cavidades, galerías y chimeneas desde el interior de la mina
subterránea (cuando se tiene acceso), ya que permite posicionarse en una zona segura y con el
brazo extensible realiza un levantamiento de muy buena confiabilidad (Figura 6), el C-ALS por otra
parte es el complemento ya que para zonas en las cuales no se puede acceder a través de la
mina subterránea, se realizan sondajes desde la superficie que rompan la cavidad y se introduce
el equipo por la misma perforación con lo cual se puede realizar el escaneo, esto es válido para
cavidades, galerías o chimeneas (Figura 7). Con la geometría real de las cavidades vacías,
galerías y chimeneas, se puede planificar el plan de relleno de las cavidades vacías considerando
el crown-pillar mínimo seguro para realizar las chimeneas de relleno y el volumen estimado con e
cual se rellenara la cavidad.
Figura 6 Cavity Monitoring System (CMS)
Figura 7 Cavity Auto Laser Scanning (C-ALS)
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Prospecciones geofísicas: Si bien existen diversas técnicas de prospecciones geofísicas, en
particular se ha utilizado una denominada GPR (Ground Penetration Radar), la cual mediante
ondas de radio permite realizar una prospección de hasta 180 metros de profundidad
aproximadamente. Si bien es una técnica de prospección bastante buena, se deben realizar varios
perfiles ortogonales, para así poder construir una imagen 3D de lo que ocurre en profundidad,
además con esta técnica se pueden orientar y enfocar recursos para auscultar anomalías que
puedan visualizarse en la interpretación de los resultados. (Figura 8, izquierda prospección en
terreno, derecha perfil geofísico)
Subsuelodescomprimido
Grieta con desplazamientovertical de las capas
Figura 8 Ground Penetration Radar (GPR)
Equipos de inspección rápida: Debido a que en diversas oportunidades los tiempos de respuesta
para realizar levantamientos escáner, no son tan veloces y considerando que varias veces se han
ingresado equipos de escaneo a sectores en donde solamente se puede visualizar un acomodo
de bloques (producto del caving), se ha desarrollado un sistema que permite visualizar de manera
rápida, segura y confiable lo que hay en el trayecto del pozo de perforación (sondaje o perforación
de tronaduras), a tiempo real, con una muy buena resolución y a bajo costo, lo que implica que
ante la eventual pérdida del equipo los costos son mínimos y de fácil reposición. Este equipo
consta básicamente de una cámara infrarroja de buena resolución con conexión a un laptop que
permite visualizar a tiempo real lo que ocurre en el trayecto del pozo, identificando zonas de
fracturamiento masivo, condición de la perforación y vacíos por los cuales haya pasado el pozo,
con esto se pueden tomar medidas de control rápida descartando el peligro o bien alertando
acerca de una condición anormal, el alcance de este equipo es de aproximadamente 300 metros
sin perder calidad de imagen. La restricción que presente este sistema es que solamente permite
visualizar hacia abajo, por lo que en caso de romper a vacío no se podía cuantificar de forma
preliminar el espacio que existía, por esto se ha construido un sistema robótico que permite operar
la cámara desde la superficie pudiendo aumentar su campo de visión. (Figura 9)
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Figura 9 Cámara Inspección
EJEMPLO PROGRAMA RELLENO CAVIDAD VACIA FILO SC-1
La mejor manera de materializar todo lo mencionado con anterioridad se puede mostrar en el
desarrollo del proyecto de relleno de cavidad vacía de aproximadamente 120kton (276.000 m³) de
material. El proceso para planificar el relleno y hundimiento de esta cavidad vacía, comienza con
la auscultación por superficie mediante sondajes o por la mina subterránea, en este caso en
particular se ha realizado una auscultación por la mina subterránea, ya que se cuenta con acceso
a esta cavidad. Dentro de la auscultación se realiza un levantamiento escáner con CMS, el cual
nos muestra la geometría real de la cavidad y esta se compara posteriormente con la geometría
de diseño del caserón para evaluar posibles avances del techo (Figura 10, muestra vista
isométrica cavidad y perfiles representativos de caserón vacío), para esta cavidad se puede
observar claramente que la geometría de la cavidad no ha sufrido mayores cambios en el techo
por lo que se descarta que se haya producido un avance del techo hacia la superficie, con esto se
puede determinar que bajo las actuales condiciones que presenta la cavidad se puede dejar un
crown-pillar de 40 metros aproximadamente (basado en la condición real del caseron).
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Perfil A-A
Geometría Real
Geometría Diseño
Perfil B-B
Geometría Real
Geometría Diseño
Perfil D-D
Geometría Real
Geometría Diseño
Perfil C-C
Geometría Real
Geometría Diseño
Geometría Real
Geometría Diseño
N
N
AB
CD
AB
C
D
Figura 10 Escáner CMS y Comparación con Geometría de Diseño
Dada la geometría que presenta este caserón, se propone realizar 2 chimeneas VCR (Vertical Crater Retreat) de 45 metros de longitud, inclinadas a 80° desde la superficie en la cota 953, hasta romper la cavidad en la cota 913, el diagrama de perforación de estas chimeneas se muestra en Figura 11, la ubicación de estas chimeneas permite construir ambas en paralelo de forma segura y garantiza que no se conectaran entre ellas, la distancia entre ejes varía entre 13 y 24 metros, siendo la menor distancia en la rotura a la cavidad, esto se puede ver en Figura 12 y Figura 13.
5 metros
5 metrosDiagrama
perforación
pozos en 6 ½"
Figura 11
Figura 11 Diagrama Estándar Perforación Chimenea VCR
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953
40 m
913
Ch-2 Ch-1
Superficie Actual Rajo Filo Jun12
Fase 2
Cavidad Vacía Filo Santa Clara
1
Figura 12 Perfil con Ubicación Chimeneas y Cavidad
13 m 9 m 13 m
10 m10 m 4 m24 m
Figura 13 Visualización de Chimeneas y contorno zonas vacias.
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Posterior a la confección de las chimeneas, se procede a realizar el relleno, este material debe tener una granulometría que permita no tapar o “trancar” la chimenea, para esto se define que el tamaño máximo de partícula debe ser de D/4, siendo D el diámetro de la chimenea, para nuestro caso el tamaño máximo de partícula debe ser de 1.25 metros de diámetro, estos tamaños se logran realizando tronaduras especiales con una malla más densa que permita disminuir el tamaño de rocas. Debido al ángulo de reposo del material quebrado la cavidad nunca podrá quedar rellena en su totalidad, generando siempre vacíos en los contornos, estos deben quedar claramente identificados y a medida que la operación se acerca, deben ser auscultados mediante sondajes para que así se pueda definir la luz de vacío que tiene el sector y definir la malla de hundimiento que permita generar el colapso de estos espacios no rellenos, esta malla de hundimiento se realizaría manteniendo un crown-pillar de 15 metros, el cual según la experiencia adquirida para el nivel de vacios que se tendrán es suficiente.
CRONOGRAMA DE ACTIVIDADES PARA RELLENO DE CAVIDAD VACIA
Definir de forma correcta los plazos asociados a cada actividad resulta relevante para lograr una
buena sincronía con planificación y operaciones, ya que de esta forma se minimizan los retrasos
debido a la construcción, relleno y posterior hundimiento de la cavidad vacía. Las actividades
relevantes y sus plazos se comentan a continuación:
Perforación de tiros para construcción chimeneas VCR.- La perforación con equipos en 6 ½” es
relativamente rápida por lo que se estima que para perforar los 9 tiros de cada una de las
chimeneas se tardaría aproximadamente 2 días.
Construcción Chimenea mediante VCR.- Esta etapa es la más lenta y de mayor cuidado en el
proceso completo, ya que el avance diario queda limitado por los resultados obtenidos en las
tronaduras anteriores y la posibilidad de que algunos pozos queden tapados y se tengan que re
perforar o destapar, en general el avance de estas chimeneas es de alrededor de 2 metros/día
hasta la mitad de la chimenea y después de esto se puede avanzar el doble 4 metros/día, esto
estaría indicando que el tiempo requerido solamente para el proceso de construcción en una
chimenea es de 15 días, más los imponderables, se considera un total de 18 días.
Preparación plataforma vaciado.- Una vez conectadas las chimeneas a superficie, se debe
mejorar la condición en la zona cercana a las chimeneas, dejando delimitada el área para evitar
algún accidente, esto se tardaría alrededor de 1 día.
Tronadura especial para rellenar cavidad.- Esta tronadura puede haber sido realizada en paralelo
en la parte final del proceso de construcción de la chimenea o preparación de plataforma de
vaciado, por lo que no ingresa a la ruta crítica de los plazos definidos.
Relleno de cavidad vacía.- La cavidad vacía, según lo obtenido en el escáner realizado podría ser
rellena con 120.000 toneladas, considerando esta cantidad de material se debería de considerar
alrededor de 4 días de relleno a un ritmo de 30.000 ton por día.
Hundimiento zonas de contorno vacías.- Para realizar el hundimiento de estas zonas, primero se
deben realizar sondajes de auscultación para cuantificar el volumen que ha quedado sin
rellenarse, una vez definido esto se debe esperar hasta tener un Crown-pillar de unos 15 metros
para diseñar la malla de hundimiento.
Posterior a los hundimientos en caserones rellenos, las subsidencias observadas suelen ser
mínimas, ya que el mismo material tronado es capaz de rellenar los espacios vacíos que quedan
en el contorno, como referencia se puede tener los hundimientos de galerías de 5x6 m, los cuales
se visualizan en superficie como una zanja con un desnivel de aproximadamente 2 m. con
respecto del material tronado.
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CONCLUSIONES FINALES
Si bien los procedimientos utilizados permiten detectar y controlar gran parte de la interaccion con
la UG, nos hemos encontrado con labores no reconocidas, por esto se han añadido nuevos
sistemas para disminuir esta incerteza. Actualmente en División El Soldado, la interacción Rajo-
UG consume una gran cantidad de recursos del grupo de geomecánica el cual se enfoca
principalmente en garantizar la seguridad a personas y equipos que trabajan en el Rajo, sobre
labores subterráneas antiguas y por otra parte intentar minimizar los retrasos que puedan existir
en la operación minera debido a las tareas de relleno y hundimiento de labores antiguas
(caserones, galerías, OP, entre otras). Para lograr desarrollar estas tareas de la mejor forma
posible el grupo de geomecánica de El Soldado tiene un equipo especialista en interacción Rajo-
UG, el cual permanentemente está revisando el avance de la operación en el rajo visualizando
posibles labores antiguas cercanas, además de las inspecciones visuales en la mina subterránea
y otros equipos de última tecnología que permiten auscultar, realizar escaneos en labores y
visualizar a tiempo real lo que sucede en los pozos de auscultación programados.
Con todos estos implementos además del recurso humano existente, la interacción Rajo-UG se ha
logrado llevar de muy buena manera, no teniendo que lamentar condiciones de riesgo
últimamente, pero esto nos lleva a estar constantemente aún más alerta frente al gran riesgo que
impone trabajar sobre labores subterráneas antiguas.
Por último se debe señalar la real importancia de poder trabajar en equipo multidisciplinario para
conformar la mejor estrategia al momento de enfrentar condición de relleno de cavidades vacías, o
de hundimiento de galerías, ya que cada una de las áreas involucradas puede aportar algo
importante en pos de lograr los mejores resultados.
REFERENCIAS
Karzulovic, A., (1998). Nota Geotécnica, comentarios respecto a la labor de un grupo
geotécnico.
Schellman, M., (2004). Mejores prácticas geomecánicas AACH.
División El Soldado (2009), Procedimiento de detección y control de cavidades
PNP.DESIMGMC.0001