Avances recientes en tecnologías clave para la minería subterránea de metales
La minería subterránea de metales es un sistema complejo que incluye el desarrollo, la preparación de los rebajes (definición y establecimiento del mineral) y la extracción, y la voladura es necesaria en cada etapa. Por lo tanto, lograr una voladura segura y eficiente es un objetivo central de investigación para los ingenieros de minas. Las minas de metales se encuentran actualmente en una transición crítica, de labores superficiales a profundas, de condiciones fáciles a difíciles, y de mineral de alta ley a mineral de baja ley, lo que genera nuevos desafíos para la teoría, la tecnología y los equipos. Por lo tanto, la investigación en las tecnologías clave para la minería subterránea ha cobrado especial importancia. Los avances actuales se concentran en cinco áreas: perforación y voladura, transporte e izado de materiales, refuerzo de roca, relleno de pasta y control remoto. Esta revisión resume el desarrollo y los avances recientes en cada área.
Perforación y voladura. La perforación y la voladura siguen siendo tecnologías fundamentales en la minería de metales, pero históricamente también han sido un punto débil. Mejorar la eficiencia de la perforación y la voladura es vital para una minería subterránea segura y productiva. Con el tiempo, la industria ha evolucionado de la perforación manual a las perforadoras neumáticas e hidráulicas, a los jumbos de perforación (incluyendo plataformas rotativas y de fondo), y ahora hacia los robots de perforación. La tendencia se aleja de la simple mecanización hacia la automatización, la inteligencia y la protección del medio ambiente.
Se han desarrollado diversas plataformas de perforación adaptadas a diferentes condiciones del terreno, tanto a nivel nacional como internacional. En los últimos años, gracias a la mejora de los equipos de perforación, algunos países (en particular, Estados Unidos y Canadá) han adaptado métodos de perforación y voladura a cielo abierto a gran escala para uso subterráneo: en algunos casos, se han sustituido pozos segmentados de profundidad intermedia por pozos profundos de gran diámetro, con resultados favorables. Por ejemplo, Suecia ha desarrollado una serie de jumbos de tunelaje con alta eficiencia de perforación, mayor seguridad y menor contaminación; a nivel nacional, se han desarrollado jumbos de tres brazos totalmente controlados por computadora que integran operaciones de movilidad, perforación y carga, ofreciendo una operación sencilla, alta seguridad y un coste reducido. Estos sistemas mejoran la calidad y la eficiencia de la perforación, a la vez que reducen la intensidad de la mano de obra y el riesgo operativo, impulsando la automatización, la inteligencia y el rendimiento ambiental.
Debido a las diferencias en las condiciones subterráneas y los requisitos para la excavación y la minería de carreteras, los métodos de voladura siguen siendo diversos. Técnicas como la voladura con carga diferencial pequeña, la voladura por compresión y la voladura de contorno (cara lisa) se utilizan ampliamente y han mejorado los resultados de las voladuras en muchas situaciones.
La tecnología de voladuras está evolucionando hacia la voladura de precisión, la voladura ecológica y la voladura inteligente. La voladura de precisión se basa en un diseño refinado de patrones de barrenos, estudios detallados de la energía explosiva y el modelado de simulación de voladuras para lograr la rotura de roca deseada. La voladura ecológica utiliza nuevos agentes de combustión para reemplazar los explosivos convencionales, eliminando los gases nocivos de la explosión y mejorando significativamente la calidad del aire subterráneo. La voladura inteligente integra el diseño inteligente de voladuras, equipos inteligentes, modelado predictivo de vibraciones e identificación automatizada de barrenos sin carga para crear un sistema de voladura inteligente.
Más allá de los métodos explosivos, las técnicas de trituración de rocas no explosivas están ganando terreno. Las máquinas de minería continua se utilizan para la excavación mecánica en rocas semiduras y blandas, ofreciendo alta productividad y condiciones favorables de control del terreno. Los métodos de fragmentación física, como el chorro de agua a alta presión y la fragmentación térmica, pueden superar algunas limitaciones del corte mecánico puro, produciendo poco polvo y sin chispas, y mejorando las condiciones de trabajo. Sin embargo, el alto consumo de energía, el alto costo y el desgaste severo de las herramientas han limitado su adopción generalizada. Además, el desarrollo nacional en tecnologías de la información y la inteligencia artificial comenzó más tarde que en otros países, por lo que los sistemas inteligentes clave para la minería continua de roca dura aún dependen en gran medida de tecnología extranjera. Como resultado, la minería continua de depósitos de roca dura aún no se ha implementado ampliamente a nivel nacional.
Transporte e izaje de materiales. Los sistemas de transporte e izaje son fundamentales para la producción subterránea, integrando el proceso minero en un sistema continuo y garantizando un funcionamiento normal. El transporte de mineral ha evolucionado de métodos manuales a sistemas sobre rieles y, posteriormente, a sistemas sin rieles (sobre neumáticos). La tendencia actual es hacia los equipos sin rieles como modo de transporte principal, con los sistemas sobre rieles como secundario, impulsada por el desarrollo y la maduración de los equipos subterráneos sin rieles desde la década de 1960.
El transporte de corta distancia dentro de los tajos suele utilizar cargadores, que ofrecen una operación cómoda, un rendimiento fiable, alta productividad y maniobrabilidad. El transporte subterráneo de larga distancia suele utilizar camiones de carga; estos son ampliamente utilizados en el extranjero, pero menos a nivel nacional. A medida que aumenta la profundidad de la mina, las distancias de izaje se incrementan y la tecnología de izaje se enfrenta a mayores desafíos, junto con el aumento de los costos de elevación de minerales. Por lo tanto, el desarrollo de la tecnología de izaje de mineral en pozos profundos es cada vez más importante. La tendencia general apunta hacia sistemas de mayor escala con mayores cargas y mayor automatización.
En la minería profunda, muchas operaciones combinan el transporte ferroviario, las cintas transportadoras o las cargadoras sin rieles con sistemas de elevación de pozos multietapa. Por ejemplo, la mina de oro TauTona en Sudáfrica utiliza un sistema de elevación de pozos de tres etapas con transferencia entre pozos mediante cinta transportadora o equipo sin rieles. Las cintas transportadoras abiertas convencionales tienen una estructura simple, pero son propensas a la generación de polvo y derrames, lo cual contamina el aire subterráneo y reduce la seguridad; además, presentan un rendimiento deficiente en pendientes ascendentes. Los sistemas de cintas transportadoras cerradas más recientes, como la solución de diseño cerrado desarrollada por SiCON, previenen derrames y polvo, alcanzan velocidades de transporte superiores a 3 m/s y soportan pendientes de hasta 36°. Con una adaptación adecuada, estos sistemas resultan prometedores para el transporte de mineral en minas profundas.
El izaje hidráulico (agua) se utiliza principalmente en aplicaciones en aguas profundas, y algunos investigadores han explorado su uso en minas profundas porque permite un funcionamiento continuo y una automatización más sencilla. Sin embargo, la aplicación del izaje hidráulico bajo tierra requeriría sistemas de conminución (trituración y molienda) in situ a gran profundidad, lo que dificulta su implementación práctica en la actualidad. También se han propuesto conceptos innovadores, como los elevadores de levitación magnética (maglev), para el izaje de minerales, pero requieren una investigación más exhaustiva. Estas nuevas tecnologías y conceptos están impulsando el transporte y el izaje en minas, impulsando la innovación en métodos y equipos.
Refuerzo de roca. El refuerzo de roca en minas metálicas se centra en estratos débiles, fracturados y sometidos a altos esfuerzos. Los sistemas de soporte se clasifican en pasivos o activos. Los soportes pasivos (madera, mampostería, arcos de acero) no alteran la estructura interna de la roca y solo resisten la deformación. Los soportes activos modifican el macizo rocoso para aumentar su resistencia inherente; por ejemplo, pernos de roca y pernos de cable, anclajes con lechada de resina o cemento, hormigón proyectado con malla y sistemas compuestos como pernos combinados con hormigón proyectado y malla. Entre estos, las combinaciones de pernos con lechada de cemento y hormigón proyectado se han convertido en los métodos principales para el refuerzo del terreno en minas metálicas.
La combinación de pernos de longitud completa y pernos adheridos para crear sistemas adheridos de longitud completa ha mejorado considerablemente la resistencia del anclaje y presenta un gran potencial para su aplicación en campo. La tecnología del hormigón proyectado ha evolucionado de la proyección de mezcla seca a la proyección de mezcla húmeda, mejorando las condiciones de trabajo y reduciendo el desprendimiento de roca. La combinación de hormigón proyectado con pernos de roca limita eficazmente la deformación libre de la roca circundante, redistribuye la tensión y previene el desprendimiento de la superficie y el desprendimiento de rocas.
Los avances en mecanización y equipamiento están acelerando la adopción de sistemas modernos de pernos y hormigón proyectado. A nivel internacional, se han desarrollado diversos jumbos de pernos, plataformas de proyección húmeda y máquinas para colgar mallas. En el país, se han desarrollado jumbos de pernos sobre neumáticos y sobre orugas, máquinas de proyección húmeda de grado minero y plataformas de proyección húmeda de dos brazos, lo que mejora la eficiencia, reduce la intensidad de la mano de obra y mejora la seguridad, impulsando la mecanización y dando los primeros pasos hacia la operación inteligente. Tras varias iteraciones tecnológicas, el refuerzo de roca ha pasado de métodos pasivos de un solo soporte a métodos compuestos activos; se espera que el desarrollo futuro priorice la mecanización y la inteligencia para mejorar aún más la seguridad y la productividad.
Relleno de pasta. Los residuos sólidos generados por la minería, la contaminación del agua y el aire, y la ocupación del suelo constituyen graves preocupaciones ambientales. La tecnología y los equipos de minería de relleno de pasta ofrecen un enfoque prometedor para mitigar estos problemas. El relleno de pasta convierte los relaves y otros residuos sólidos mineros en una suspensión estructural saturada, no exudativa y similar a la pasta de dientes, que puede utilizarse para rellenar tajos y cuencas de relaves, abordando dos riesgos principales: el almacenamiento de relaves y los tajos vacíos, a la vez que promueve la minería sostenible.
En comparación con el relleno hidráulico de arena tradicional, el relleno en pasta ofrece tres características inequívocas: ausencia de estratificación, segregación y exudación. Se ha establecido una plataforma de pruebas de relleno en pasta a escala industrial, con una superficie aproximada de 2000 m² y más de 200 equipos, que ofrece alta precisión, funcionalidad integral y control inteligente. Permite realizar pruebas de proceso completo, medir parámetros y guiar la práctica de ingeniería. Cabe destacar que los sistemas de prueba de tuberías en bucle multidiámetro, multiorientación y multiflujo proporcionan resultados que reflejan mejor las condiciones de campo que muchos métodos tradicionales.
El fundamento teórico común en todas las etapas del proceso de llenado de pasta es la reología de la pasta. La investigación se centra en modelos constitutivos para la reología de la pasta, utilizando cálculos teóricos, experimentos reológicos y simulación numérica para satisfacer las necesidades de ingeniería en cuatro etapas del proceso: espesamiento (concentración), mezcla, transporte y llenado/curado. El espesamiento logra una concentración estable en el flujo inferior para preparar una pasta calificada; la mezcla asegura una combinación uniforme de materiales para favorecer la fluidez y las propiedades mecánicas homogéneas en las tuberías; el transporte busca un bajo consumo de energía y un menor desgaste; el llenado busca una distribución uniforme de la resistencia y un alto grado de relleno de los rebajes y fijación a los muros colgantes. Estas cuatro tecnologías corresponden a los principales desafíos técnicos del llenado de pasta. La tecnología de llenado de pasta, caracterizada por su seguridad, economía, protección ambiental y eficiencia, es un pilar técnico importante para los sistemas de minería de metales ecológicos.
Control remoto y automatización. La tecnología minera ha evolucionado de manual a mecanizada y ahora hacia operaciones automatizadas e inteligentes. La tecnología de control remoto es un factor clave para la automatización y la inteligencia, y desempeñará un papel irremplazable en la minería moderna. A nivel mundial, el control remoto es una dirección consolidada para las minas subterráneas e incluye el control remoto de perforación, control remoto de carga y control remoto de manejo de mineral, entre otros. Sin embargo, su implementación generalizada depende de la madurez industrial y tecnológica general de cada país; la adopción a gran escala aún no se ha producido a nivel nacional.
Las tecnologías clave de control remoto se centran en tres capacidades: teledetección del entorno minero, operación remota de procesos mineros y gobernanza remota de sistemas mineros. En conjunto, estas permiten la percepción y el análisis automatizados, las operaciones sin personal, el despacho remoto, la alerta temprana automática y la toma de decisiones remota. El desarrollo continuo y la integración de la detección, las comunicaciones, los sistemas de control y la IA son necesarios para lograr una minería subterránea de metales totalmente autónoma y gestionada remotamente.
Conclusión El avance combinado de las tecnologías de perforación y voladura, transporte e izado, refuerzo de roca, relleno de pasta y control remoto está transformando la minería subterránea de metales. El progreso en equipos, materiales, control de procesos y sistemas digitales impulsa una extracción más segura, eficiente y sostenible. La investigación continua, las pruebas de campo y la integración de sistemas inteligentes serán esenciales para afrontar los retos de los yacimientos metálicos más profundos, complejos y de menor ley.
