Principios y métodos para el diseño de límites de minería a cielo abierto
Características de la Minería a Cielo Abierto. La minería a cielo abierto consiste en la extracción de mineral en un entorno expuesto (superficie) mediante equipos específicos de excavación y transporte. Su característica principal es que, para recuperar el mineral, es necesario desbrozar la roca circundante y la sobrecarga, y transportar el mineral o la roca a la superficie mediante rutas de transporte superficial o trabajos subterráneos. Este método se utiliza ampliamente para la extracción de minerales metálicos, materias primas metalúrgicas, materiales de construcción, materias primas químicas y carbón.
En comparación con la minería subterránea, la minería a cielo abierto, al operar en un espacio expuesto, presenta las siguientes características:
(1) El espacio de trabajo es relativamente libre, lo que facilita el uso de grandes equipos mecanizados. Un alto nivel de mecanización y automatización puede aumentar la intensidad de la minería y la producción de mineral.
(2) Alta productividad laboral.
(3) Menores costos de minería, haciendo viable la explotación a gran escala de minerales de baja calidad.
(4) Menor pérdida y dilución de mineral, lo que es favorable para la recuperación de recursos minerales.
(5) Tiempo de desarrollo más corto; el gasto de capital por tonelada anual de mineral es menor que en la minería subterránea.
(6) En el caso de yacimientos de mineral calientes o combustibles, la minería a cielo abierto puede ser más segura que la minería subterránea.
(7) Mejores condiciones de trabajo y operaciones generalmente más seguras.
(8) Las operaciones a cielo abierto producen importantes cantidades de polvo y emisiones de vehículos; la roca volada que contiene componentes nocivos puede contaminar el aire ambiente, el agua y el suelo hasta cierto punto.
(9) Grandes volúmenes de escombros se depositan en vertederos de residuos; las instalaciones de residuos ocupan grandes extensiones de tierra (montañas, tierras de cultivo) y pueden degradar el medio ambiente a nivel local.
(10) Las condiciones climáticas como la nieve, el hielo y las fuertes lluvias pueden afectar negativamente las operaciones a cielo abierto.
Definir los límites de extracción (límites del tajo) es la base del diseño de minas a cielo abierto y un prerrequisito para una explotación económicamente eficiente y segura. Investigadores y profesionales de todo el mundo han estudiado durante mucho tiempo la optimización de los límites del tajo y han obtenido resultados sustanciales. Sin embargo, debido a que las minas a cielo abierto se enfrentan a cuerpos geológicos complejos y variables, distribuciones irregulares de leyes y parámetros económicos cambiantes (factores no lineales y dinámicos), determinar los límites óptimos del tajo sigue siendo difícil. Este documento aborda cuestiones clave en la optimización de límites del tajo: revisa trabajos previos, analiza las características dinámicas de los límites del tajo, examina los principales factores que afectan el ángulo de talud estable final, propone métodos para predecir un talud final razonable y estudia métodos rápidos para generar series de límites del tajo y determinar el límite final del tajo. Fundamentado en la práctica de la ingeniería y los desarrollos actuales, y utilizando teoría y métodos multidisciplinarios, el estudio proporciona una investigación sistemática y profunda con un valor teórico y práctico significativo.
Principios de Diseño para Límites de Tajo Abierto. El tamaño de los límites de un tajo abierto determina las cantidades de mineral y desmonte que se deben extraer. A medida que los límites del tajo se profundizan y expanden, el tonelaje de mineral aumenta, pero el desmonte también aumenta considerablemente, lo que provoca un aumento en la tasa de desmonte. Por lo tanto, determinar los límites del tajo implica esencialmente controlar la tasa de desmonte para que no exceda la tasa de desmonte económicamente aceptable.
Existen varios tipos de ratios de desbroce relacionados con el tamaño del límite del pozo. Se debate qué ratio de desbroce controlar; el artículo presenta tres perspectivas académicas históricamente tempranas y representativas, junto con sus correspondientes criterios de diseño:
(1) Ratio de desmonte del límite del tajo no mayor que el ratio de desmonte económico Este criterio requiere que el ratio de desmonte en el límite del tajo no exceda el ratio de desmonte económicamente razonable. Su esencia es asegurar que, a medida que el tajo se profundiza, el beneficio económico marginal de la minería a cielo abierto no sea peor que el de la minería subterránea. Para cuerpos de mineral continuos con sobrecarga delgada, este principio tiende a maximizar la ganancia total del depósito. Debido a que apunta a optimizar el resultado económico total y es simple de calcular y aplicar, el criterio ≤ se usa ampliamente en el diseño manual de límites de tajo tanto a nivel nacional como internacional. Sin embargo, para depósitos con sobrecarga gruesa o discontinua, este criterio puede no ser apropiado; por lo tanto, es una condición necesaria pero no suficiente para un límite de tajo óptimo.
(2) Relación de desmonte promedio no mayor que la relación de desmonte económica Este criterio tiene como objetivo controlar el desempeño económico general de la minería a cielo abierto para que no sea peor que la minería subterránea. El objetivo es maximizar el mineral recuperable dentro del área del límite del pozo mientras se asegura que la economía general de la minería a cielo abierto no caiga por debajo de la de la minería subterránea. Debido a que utiliza un promedio aritmético, algunas áreas locales pueden tener un desempeño económico inferior al de los métodos subterráneos. El criterio ≤ promedio se puede utilizar junto con el criterio ≤ límite del pozo: después de delinear el pozo por el criterio del límite del pozo, se debe verificar la relación de desmonte promedio dentro de ese límite. Este criterio a menudo se aplica para minerales raros de alto valor o pequeños depósitos cuando es deseable maximizar la extracción a cielo abierto (para minimizar la dilución y la pérdida de mineral). También se utiliza comúnmente para canteras de piedra dimensional y piedra caliza.
(3) Relación de desmonte de producción no mayor que la relación de desmonte económica La relación de desmonte de producción refleja la relación de desmonte a mineral real experimentada durante el ciclo de producción de la mina. Aplicar el criterio de producción ≤ garantiza que en cualquier etapa de producción el resultado económico de la minería a cielo abierto no sea peor que la minería subterránea. La relación de desmonte de producción puede ser una relación de producción de equilibrio o una relación de desmonte desequilibrada (dependiente del tiempo). Los límites de tajo derivados del criterio de producción son menores que los del criterio de límite de tajo pero mayores que los del criterio promedio, y por lo tanto conducen a una mayor inversión inicial en desmonte y desarrollo. Debido a que la relación de desmonte de producción es difícil de definir con precisión y su relación con la profundidad es compleja, este criterio es menos práctico y rara vez se utiliza.
Elementos de los Límites de la Minería a Cielo Abierto 3.1 Ángulo y estructura del talud final. El ángulo del talud final (último) del tajo afecta considerablemente la seguridad de la producción y el rendimiento económico. Desde una perspectiva económica, se prefiere un talud más pronunciado (ángulo mayor), ya que un ángulo menor aumenta la remoción de desmonte y la tasa de desmonte. Sin embargo, los ángulos de talud excesivos pueden causar inestabilidad y poner en peligro la seguridad. Por lo tanto, el ángulo del talud final debe cumplir con los requisitos de estabilidad (seguridad) y operacionales (minería).
El requisito de estabilidad es que, con base en las propiedades del macizo rocoso y el análisis de estabilidad, el ángulo final del talud debe garantizar la estabilidad del talud. Durante la etapa de diseño del límite del tajo, los ángulos finales del talud generalmente se seleccionan con referencia a minas similares y luego se someten a un análisis preliminar de estabilidad y cálculos simplificados con los datos disponibles.
3.2 Ancho y ubicación del fondo (piso del tajo) (1) Ancho mínimo del fondo y valores. El ancho mínimo del fondo del tajo debe permitir que los equipos de minería y transporte operen y realicen trabajos seguros. Por lo general, no debe ser menor que el ancho de la zanja inicial (corte inicial); el valor mínimo se determina según las especificaciones del equipo y los cálculos de la distribución del transporte.
(2) Ubicación del fondo y límites geométricamente similares (autosimilares) del tajo. El criterio básico para ubicar el fondo del tajo es minimizar la tasa promedio de desmonte dentro del tajo. En ocasiones, el fondo del tajo se ajusta en relación con las zonas mecánicas o estructurales de la roca para que las pendientes finales eviten zonas fracturadas o estructuralmente débiles, mejorando así la estabilidad y simplificando la voladura.
Dependiendo del espesor horizontal del yacimiento, existen tres posibles posiciones para el piso del pozo:
Si el espesor horizontal del yacimiento es menor que el ancho mínimo del fondo, dibuje el plano del piso del pozo hasta el ancho mínimo.
Si el espesor horizontal es igual o ligeramente superior al ancho mínimo del fondo, establezca el ancho del piso del pozo igual al espesor del yacimiento mineral.
Si el espesor horizontal del yacimiento excede en gran medida el ancho mínimo del fondo, utilice el ancho mínimo del fondo.
La posición elegida debe maximizar el mineral recuperable, minimizar el desperdicio y producir la mejor calidad de mineral, es decir, maximizar el beneficio económico.
Dado que los fondos de tajo reales tienen anchos distintos de cero, los límites de tajo geométricamente similares no son totalmente aplicables. En el diseño, determine la ubicación del fondo del tajo según los siguientes casos: (i) en terreno llano, tanto los yacimientos gruesos como los delgados pueden formar límites de tajo geométricamente similares; (ii) en terreno inclinado, si el espesor horizontal es mayor que el ancho mínimo, el tajo tiene una forma similar, mientras que los yacimientos delgados con un espesor horizontal menor que el ancho mínimo deben cumplir restricciones adicionales.
(3) Método de diseño para límites de foso geométricamente similares Un límite de foso geométricamente similar es la ubicación teórica óptima del fondo que minimiza la relación de desmonte promedio; en efecto, la posición óptima del fondo cuando el ancho del fondo se acerca a cero.
3.3 Profundidad del tajo. Los criterios de diseño de límite de tajo determinan esencialmente la profundidad del tajo que justifica económicamente. Dependiendo de la continuidad del yacimiento y la longitud del rumbo, los tajos pueden clasificarse como tajos largos o tajos cortos. Si la relación longitud-ancho supera 4:1, el tajo es "long" y el volumen de mineral en el extremo es relativamente pequeño; en el diseño manual, la contribución del extremo suele ser insignificante. Si la relación es inferior a 4:1, el tajo es "short" y el mineral en el extremo puede representar entre el 15 % y el 20 % o más del total, por lo que debe considerarse.
(1) Determinación preliminar de la profundidad de las calicatas en secciones transversales geológicas. Existen tres métodos para determinar la profundidad de las calicatas en secciones transversales geológicas: (a) método analítico, (b) método gráfico y (c) método de análisis de planos (análisis de esquemas). El método de análisis de planos es el más utilizado. Sus pasos son: 1) proponer varias calicatas candidatas; 2) calcular las relaciones de desmonte del límite de la calicata para cada profundidad; 3) trazar curvas de análisis y seleccionar una profundidad inicial.
(2) Ajuste la elevación del fondo en las secciones transversales Ajuste la elevación del fondo del pozo en las secciones transversales; la elevación ajustada es la profundidad del pozo de diseño.
(3) Delimitación de los límites de la mina a cielo abierto (método manual) La delimitación manual de los límites de la mina implica tres pasos principales:
Dibuje el perímetro teórico del piso del pozo a la profundidad de diseño: en cada sección transversal, longitudinal y auxiliar, dibuje el límite del pozo a la profundidad de diseño; luego, trace un plano del horizonte estratigráfico a esa altura. Proyecte los extremos del piso del pozo desde las vistas de sección sobre el plano y únalos para obtener el perímetro teórico del piso. Suavice la polilínea para formar una curva y así formar el perímetro de diseño del piso del pozo. Verifique que las dimensiones del piso cumplan con los requisitos de distribución del transporte y operación del equipo: la rectitud, los radios de curvatura y la longitud del piso deben cumplir con las normas técnicas.
Dibuje el límite del tajo: en el plano topográfico-geológico, trace el perímetro del suelo de diseño y, de adentro hacia afuera, dibuje los pies de banca y las líneas de cresta para cada banca (es decir, bancas y taludes) según los elementos de talud seleccionados. Las partes deprimidas del tajo forman pies de banca cerrados en el plano; las partes de ladera pueden tener líneas de pie de banca que se conectan con las curvas de nivel de la misma elevación.
Dibuje el plano final del tajo: sobre el plano del límite del tajo, trace los caminos de transporte y desarrollo (trazado de líneas), luego, desde abajo hacia afuera, dibuje los paramentos y plataformas para la configuración final. También diseñe plataformas de rampa entre bancos donde sea necesario. Revise y ajuste el plano inicial del límite del tajo, ya que las restricciones de trazado y desarrollo pueden reducir los ángulos de pendiente y aumentar el desmonte.
(4) Dibuje las secciones transversales del límite del pozo. Con el plano final del pozo, dibuje tres secciones transversales representativas a las escalas adecuadas. La línea de sección longitudinal se dibuja a través de los puntos clave del ancho inferior del plano; utilizando los anchos de banco, proyecte sucesivamente hacia arriba para completar las secciones transversales.
Determinación y optimización de límites de pozos abiertos Utilizando los principios de diseño comúnmente aplicados descritos anteriormente, el método y los pasos para la determinación y optimización de límites de pozos abiertos son los siguientes:
(1) Determine la profundidad del tajo. Para tajos alargados, determine primero la profundidad en cada sección transversal geológica y luego ajuste la elevación del fondo utilizando secciones longitudinales. Para tajos cortos con una gran relación profundidad-ancho, considere los efectos de la expansión del muro final. Si la profundidad no se puede determinar directamente a partir de las secciones, calcule las relaciones de desmonte del límite del tajo en vistas en planta para varias profundidades posibles y seleccione la profundidad donde la relación de desmonte del límite del tajo sea igual a la relación de desmonte económicamente razonable.
(2) Determine el perímetro del fondo del tajo en el plano. El ancho del fondo del tajo puede ser mayor o menor que el espesor horizontal del yacimiento, pero debe cumplir con el requisito de ancho mínimo. El principio es maximizar la recuperación de mineral y minimizar los desechos. El ancho mínimo del fondo debe garantizar la producción segura y el funcionamiento normal de los equipos de minería y transporte; en la práctica, corresponde al ancho de la zanja de arranque y depende del método y el equipo; por lo general, no es inferior a 20-30 m por seguridad.
Tras determinar la elevación del fondo y las posiciones finales, dibuje el perímetro teórico del piso proyectando los puntos finales de las secciones transversales sobre el plano estratigráfico a la altura de diseño y conectándolos. Para facilitar el transporte, el perímetro del piso debe ser lo más recto posible; las partes curvas deben cumplir con los radios de curvatura mínimos para el equipo.
(3) Determine la estructura y los ángulos de los taludes. La estabilidad de los taludes es esencial para una producción segura. La selección correcta del ángulo de talud es fundamental para garantizar la estabilidad. Dentro de los límites de los requisitos técnicos y de estabilidad, adopte el ángulo de talud final más pronunciado posible para minimizar la extracción de residuos. Al establecer los ángulos de talud, considere las propiedades del macizo rocoso, la estructura geológica, la hidrogeología, el método y el equipo de extracción, la vida útil prevista de la mina y las condiciones climáticas. Siempre que sea posible, realice ensayos mecánicos de rocas y cálculos de estabilidad de taludes. Dado que los métodos de cálculo existentes no siempre son perfectos, en la práctica, los ángulos de talud final suelen elegirse con referencia a minas análogas y datos empíricos.
(4) Dibuje la vista final del plano. Los pasos incluyen:
Transfiera el perímetro del piso del pozo determinado a un papel transparente y superpóngalo sobre el mapa topográfico-geográfico; de adentro hacia afuera dibuje los dedos del banco de acuerdo a los elementos del talud.
Establecer caminos de acarreo.
Revisar y modificar el plan preliminar del pozo final.
Proyectar el plano final sobre secciones transversales para que los límites de sección coincidan con el plano. Dado que el ángulo de talud, el ancho y la profundidad del suelo afectan considerablemente los límites finales del tajo, se puede establecer un sistema de índice de evaluación dinámica para modelar y optimizar los límites a cielo abierto. Se pueden utilizar algoritmos mejorados de redes neuronales de BP para construir modelos de predicción para ángulos de talud finales estables. La simulación tridimensional por computadora facilita una programación visual y eficiente de la producción. Los métodos de simulación por computadora permiten una mayor optimización de los límites del tajo.
Conclusión: La minería a cielo abierto utiliza equipos específicos de excavación y transporte en un espacio de trabajo expuesto. El ángulo de la pendiente final del tajo, el ancho y la ubicación del fondo del tajo, y la profundidad del tajo influyen sustancialmente en la seguridad y la rentabilidad de la producción. Determinar los límites del tajo es una tarea compleja que requiere el cumplimiento de principios fundamentales y una adaptación flexible a las condiciones específicas del sitio para lograr un diseño razonable. Este documento revisó aspectos clave en la optimización de los límites del tajo, analizó las características de los límites de la minería a cielo abierto, examinó los principales indicadores que afectan el ángulo de la pendiente final estable y los métodos para predecir una pendiente final razonable, y analizó enfoques para optimizar los límites del tajo.
