“modelamiento fÍsico de extracciÓn de mineral...

UNIVERSIDAD DE CONCEPCIÓN Profesor(es) Patrocinante(s):

Facultad de Ingeniería MSc. René Gómez Puigpinos

Departamento de Ingeniería Metalúrgica Ingenieros Supervisores:

PhD. Raúl Castro

“MODELAMIENTO FÍSICO DE EXTRACCIÓN DE MINERAL EN

BATEA SATURADA CON BARRO”

Laboratorio de Block Caving

Advanced Mining Technology Center (AMTC), Chile

Omar Alejandro Salas Muñoz

Informe de Memoria de Título para optar al Título de

Ingeniero Civil de Minas

Diciembre, 2019

I

Resumen

Actualmente una gran problemática en las mineras subterráneas es la generación de eventos

de barro como bombeos y escurrimientos, los cuales son originados principalmente por agua del

deshielo, lluvias, napas subterráneas, etc., que ingresan a la operación y se mezclan con el material

fino causando consecuencias negativas, como daños que afectan a los trabajadores, equipos,

infraestructura, provocando desde cierres de puntos de extracción, cierres parciales o totales de

sectores y/o la totalidad de la mina. Es por este motivo que se busca entender cómo se producen

estos ingresos de barros y que parámetros son críticos a la hora de extraer barro de una manera

económicamente viable y segura.

La metodología utilizada en esta investigación consiste en un modelo físico de escala 1:75 que

representa una columna y batea de extracción, de un set-up experimental caracterizado por una

pala LHD de14 [yd3] escalada y un material con una distribución de tamaño de partícula de d50 de

3.1 [mm]. Se analizó la extracción aislada de barro, desde un punto de extracción con diferentes

porcentajes de humedad previamente definidos por un test de consistencia llamado “Cono de

Abrams”. Los porcentajes de humedad establecidos en base al cono varían un rango de 16% hasta

28%, donde a los 16% de humedad comenzaba el asentamiento del barro, por ende, se inició con

este porcentaje y se fue aumentando cada 2%.

Los resultados mostraron que hasta un 20% de humedad se puede extraer barro, desde este

comienzan la ocurrencia de eventos de barro de diferentes magnitudes y velocidades como

escurrimientos y bombeos. Se encontró una correlación entre las colgaduras y los bombeos, es

decir, los bombeos ocurrieron siempre y cuando existía una colgadura, por lo tanto, al momento de

descolgar, se producía el bombeo. Sin embargo, para los eventos de menor magnitud y velocidad

como los escurrimientos, no sucedió lo mismo, estos ocurrían cuando se modificaba el ángulo de

reposo del material en la zanja, acción generada por la extracción del LHD.

También se estudiaron otras variables que influyen en el barro, de los cuales destacan el

porcentaje de humedad, la consistencia del barro y masa entre colgadura. Se encontró una

proporcionalidad inversa entre el porcentaje de humedad y el número de colgaduras. Caso contrario

ocurrió con la masa entre colgadura, ya que aumentaba con el porcentaje de extracción. Finalmente,

se concluye que es posible realizar de manera viable y segura extracción aislada autónoma de barro

hasta un 20% de humedad, con el fin de recuperar reservas de sectores cerrados por el riesgo de

generación de eventos de barro.

II

Abstract

Currently, a great problem in underground miners is the generation of mud events such as

pumping and runoff, which are mainly caused by melting water, rains, underground water, etc.,

which enter the operation and mix with the fine material. causing negative consequences, such as

damage affecting workers, equipment, infrastructure, causing from closures of extraction points,

partial or total closures of sectors and / or the entire mine. It is for this reason that we seek to

understand how these mud revenues are produced and what parameters are critical when

extracting mud in an economically viable and safe way.

The methodology used in this investigation consists of a 1:75 scale physical model that

represents an extraction column and bat, of an experimental set-up characterized by an LHD

shovel of 14 [yd3] climbing and a material with a particle size distribution of d50 of 3.1 [mm]. The

isolated extraction of mud was analyzed, from an extraction point with different moisture

percentages previously defined by a consistency test called “Abrams cone”. The humidity

percentages established based on the cone vary from 16% to 28%, where at 16% humidity the mud

settlement began, therefore, it started with this percentage and increased every 2%.

The results showed that up to 20% of moisture can be extracted mud, from this begin the

occurrence of mud events of different magnitudes and speeds such as runoff and pumping. A

correlation was found between the hangings and the pumping, that is, the pumping occurred as

long as there was a hanging, therefore, at the time of picking up, the pumping occurred. However,

for events of lesser magnitude and speed such as runoff, the same did not happen, these occurred

when the angle of repose of the material in the trench was modified, an action generated by the

extraction of LHD.

Other variables that influence the mud were also studied, of which the percentage of

humidity, the consistency of the mud and mass between hanging stand out. An inverse

proportionality was found between the percentage of humidity and the number of hangings.

Otherwise, it happened with the mass between the hanging, since it increased with the percentage

of extraction. Finally, it is concluded that it is feasible and safe to carry out autonomous isolated

extraction of mud up to 20% humidity, to recover reserves from closed sectors due to the risk of

generating mud events.

III

Agradecimientos

Nunca voy a parar de agradecer el apoyo, el cobijo y el amor que me da mi familia, gracias por

estar en los momentos más difíciles, gracias papá y mamá por todo el sacrificio que han hecho por mí.

Tratare de recompensárselos todos los días de mi vida. Agradecer a mi hermana por escucharme,

ayudarme y darme ánimos en momentos de mucho estrés. A mi bota, decirle que la amo mucho y gracias

por siempre estar ayudándome, amándome y apoyándome en cada paso que doy, haces que cada día

quiera sea mejor persona… Gracias a mi familia del mejor depa de santiago que siempre me ayudo y me

brindo el calor y el amor de un hogar.

Hay tantas personas a las que quiero mencionar en estos párrafos, ojalá que alcance, bueno aquí

vamos: A mis mejores amigos Ricardo, Flavio, Boris y mis amigos de la universidad Eric, Carlos, José,

Marcelo, Gersson, Nacho, Jason, Héctor y muchos más, decirle gracias por acompañarme todos estos

años, en esta travesía estresante de la universidad y de muchos momentos felices. Agradecer a mis

compañeros del bc lab, al Profesor Raúl Castro por darme la oportunidad de realizar mi memoria en el

laboratorio y guiarme en conjunto con mi Profesor patrocinador René Gómez, sin olvidarme del Ingeniero

Álvaro Pérez, por siempre tener tiempo para atender mis dudas, ayudarme y orientarme. Gracias Felipe

por ayudarme a resolver muchos problemas que tuve con la pala. A todos los administrativos de la AMTC,

por siempre tener siempre la buena disposición de ayudarme. A David y Anisse que siempre me ayudaron

con cualquier cosa que les solicitara. En fin, a toda la gente de la Universidad de Chile que me ayudo,

muchas gracias.

IV

Índice

1. Introducción ........................................................................................................................... 1

1.1 Hipótesis de trabajo ........................................................................................................ 2

1.2 Objetivo general .............................................................................................................. 2

1.3 Objetivos específicos ..................................................................................................... 2

1.4 Alcances .......................................................................................................................... 2

1.5 Limitaciones ......................................................................................................................... 2

2. Antecedentes .......................................................................................................................... 3

2.1 Componentes para la formación de agua-barro ................................................................ 3

2.2 Tipos de barro ...................................................................................................................... 3

2.2.1 Barro fluido .................................................................................................................... 3

2.2.2 Barro viscoso ................................................................................................................ 4

2.2.3 Barros internos .............................................................................................................. 4

2.2.4 Barros externos ............................................................................................................. 6

2.3 Definiciones de eventos de barro según la distancia afectada ........................................ 8

2.3.1 Bombeo .......................................................................................................................... 8

2.3.2 Escurrimiento ................................................................................................................ 8

2.3.3 Deslizamiento ................................................................................................................ 9

2.4 Definición de humedad en el contexto de ingreso de agua-barro .................................... 9

2.5 Casos de estudios en faenas mineras ............................................................................. 11

2.5.1 Medidas para enfrentar barro ..................................................................................... 13

2.6 Drenaje en columna de extracción ................................................................................... 15

2.7 Flujo gravitacional ............................................................................................................. 16

2.7.1 Modelamiento físico del fenómeno ............................................................................ 16

2.7.2 Consolidación .............................................................................................................. 18

2.7.3 Colgaduras cohesivas................................................................................................. 19

V

2.8 Conclusión de Antecedentes: ........................................................................................... 20

3. Desarrollo experimental ....................................................................................................... 21

3.1 Caracterización del material.............................................................................................. 22

3.1.1 Cono de Abrams .......................................................................................................... 22

3.1.2 Caracterización de la resistencia al corte .................................................................. 24

3.1.3 Gravedad específica .................................................................................................... 24

3.1.4 Experimento de pérdida de humedad por ambiente ................................................. 26

3.2 Dimensionamiento del modelo físico ............................................................................... 27

3.2.1 Análisis de similitud .................................................................................................... 28

3.3 Plan experimental de extracción de barro ....................................................................... 29

4. Resultados experimentales y Discusiones ........................................................................ 32

4.1 Experimento 16% de humedad ......................................................................................... 32



4.4 Experimento 20% de humedad réplica 1 .......................................................................... 40

4.5 Experimentos 20% de humedad réplica 2 y 3. ................................................................. 41



4.8 Experimento réplica de 22% de humedad ........................................................................ 45

4.9 Experimento segunda réplica 22% de humedad ............................................................. 47

4.10 Experimento 24% de humedad ....................................................................................... 48

4.11 Experimento 26% de humedad ....................................................................................... 49

5. Análisis de resultados ............................................................................................................ 50

5.1 Productividad ..................................................................................................................... 50

5.2 Eventos de barro ................................................................................................................ 51

5.3 Colgaduras cohesivas ....................................................................................................... 53

5.4 Elipsoides de flujo del material ......................................................................................... 54

6. Conclusiones ........................................................................................................................ 57

VI

7. Referencias ........................................................................................................................... 58

8. Anexos .................................................................................................................................. 60

8.1 Anexo A: Cono de Abrams ........................................................................................... 60

8.2 Anexo B: Caracterización de la resistencia al corte ................................................... 64

8.3 Anexo C: Gravedad específica .......................................................................................... 65

8.3 Anexo D: Experimento de pérdida de humedad por ambiente ....................................... 67

8.4 Anexo E: Datos de modelamiento físico .......................................................................... 70

8.5 Anexo F: Vistas YZ de los elipsoides de flujo................................................................ 113

VII

Índice de Figuras

Figura 1: (a) Ejemplo de un barro fluido en Cullinan, De Beers. (b) Ejemplo de una protuberancia

de arcilla de superficie muy rígida desde el punto de extracción en la mina Northparkes, Rio Tinto

[2]. ................................................................................................................................................... 4

Figura 2: Mecanismo primario para la ocurrencia de un bombeo interno [1]. ................................... 5

Figura 3: Descarga de barro producto de la compactación de la columna fragmentada [1]. ............ 6

Figura 4: Mecanismo de formación de barro por deposición de relaves [1]. .................................... 7

Figura 5: Mecanismo de formación de barro por rellenos de caserones [1]. .................................... 7

Figura 6: Mecanismo de formación de barro por falla de taludes [1]. ............................................... 8

Figura 7: Esquema del drenaje de barro [4]. .................................................................................. 15

Figura 8: Equipo experimental: (a) modelo cilíndrico en una máquina de prensado que cambia la

carga vertical, σV y (b) el sistema de extracción, ubicado en la parte inferior, centro del modelo

[13]. ............................................................................................................................................... 17

Figura 9: Ejemplo de un Modelo físico, distribución de marcadores en columnas de mineral y cotas

de extracción [14]. ......................................................................................................................... 18

Figura 10: Tipos de colgaduras: (a) arco mecánico (b) arco cohesivo [16]. ................................... 19

Figura 11: Esquema general de trabajo. ........................................................................................ 21

Figura 12: Gráfico comparativo del porcentaje de humedad vs asentamiento de los experimentos

válidos. .......................................................................................................................................... 23

Figura 13: Gráfico de esfuerzo de corte vs normal para la muestra. .............................................. 24

Figura 14: Gráfico de variación de la humedad por ambiente con respecto al tiempo. .................. 26

Figura 15: Dimensionamiento del modelo físico y de marcadores [14]. ......................................... 27

Figura 16: Curva granulométrica. .................................................................................................. 29

Figura 17: Modelo físico no confinado - Escala 1:75. .................................................................... 30

Figura 18: Variables de entrada y salida a estudiar en el experimento. ......................................... 31

Figura 19: Filtración en el punto de extracción del experimento base. ........................................... 33

Figura 20: Colgadura debajo de la batea producida por sobre tamaños (el ángulo de reposo del

material fue de -68° y está marcado con línea punteada roja). ...................................................... 33

Figura 21: Gráfico de productividad de extracción de barro del experimento base 16% humedad. 34

Figura 22: Gráfico de la variación de la humedad por extracción del experimento base 16%

humedad. ...................................................................................................................................... 35

Figura 23: Gráfico de productividad de extracción de barro del experimento 18% parte 1. ............ 36

VIII

Figura 24: (A): Colgadura (experimento 1) en el techo de la galería zanja y (B): después de realizar

el descuelgue manual.................................................................................................................... 37

Figura 25: Gráfico de la variación de la humedad por cada palada del experimento 18%. ............ 38

Figura 26: (A): Colgadura en el techo de la galería zanja y (B): después de realizar el descuelgue

manual. ......................................................................................................................................... 39

Figura 27: Gráfico de productividad de extracción de barro del experimento 20%. ........................ 39

Figura 28: Gráfico de la variación de la humedad por cada palada del experimento 20%. ............ 40

Figura 29: Gráfico de productividad de extracción de barro del experimento réplica 20%. ............ 41

Figura 30: Comparación de curva granulométrica de 15 y 4 puntos. ............................................. 41

Figura 31: Gráfico de productividad de extracción de barro del experimento 20% réplica 2. ......... 42

Figura 32: Gráfico de productividad de extracción de barro del experimento 20% réplica 3. ......... 43



Figura 35: Gráfico de productividad de extracción de barro del experimento réplica 22%. ............ 46

Figura 36: Fotografía de la superficie del barro con agua acumulada sobre la batea. ................... 46

Figura 37: Gráfico de productividad de extracción de barro del experimento segunda réplica 22%.

...................................................................................................................................................... 47


Figura 39: Vista en planta del experimento 26% de humedad, después de que fluyera el material.

...................................................................................................................................................... 49

Figura 40: Masa húmeda promedio de extracción para los experimentos realizados. ................... 51

Figura 41: Gráfico de ocurrencia de eventos de barro para cada experimento. ............................. 52

Figura 42: Gráfico de Cono de Abrams v/s eventos de barro ........................................................ 52

Figura 43: Gráfico de masa entre colgaduras de cada experimento. ............................................. 54

Figura 44: Vista de la interpolación 3d de los marcadores del experimento 1. ............................... 55

Figura 45: Plano XZ, con y= 15 [cm] de la interpolación de marcadores del experimento 1. ......... 55

Figura 46: Vista de la interpolación 3d de los marcadores del experimento 2. ............................... 56

Figura 47: Plano XZ, con y= 15 [cm] de la interpolación de marcadores del experimento 2. ......... 56

Figura 48: Experimento 1 (caso base) del “Cono de Abrams”. ...................................................... 62

Figura 49: Experimento 2 del “Cono de Abrams”. .......................................................................... 62

Figura 50: Réplica del experimento 2 del “Cono de Abrams”. ........................................................ 63

Figura 51: Gráfico de variación de la pérdida de humedad por ambiente con respecto al tiempo. . 69

Figura 52: Plano YZ, con x= 25 [cm] de la interpolación de marcadores del experimento 1. ....... 113

Figura 53: Plano YZ, con x= 25 [cm] de la interpolación de marcadores del experimento 2. ....... 113

IX

Índice de Tablas

Tabla 1: Matriz de criticidad utilizada en El teniente [3]. ................................................................ 10

Tabla 2: Faenas mineras que han presentado ingreso de barro en el mundo [3]........................... 11

Tabla 3: Matriz de clasificación en mina DOZ [5]. .......................................................................... 14

Tabla 4: Resultado del experimento 1 del “Cono de Abrams”. ....................................................... 22

Tabla 5: Resultados del experimento 2 y su réplica del “Cono de Abrams”. .................................. 23

Tabla 6: Parámetros de entrada para el cálculo de la gravedad específica para muestras mayores

a 4.75 [mm] medidos en el laboratorio. .......................................................................................... 24

Tabla 7: Resultados del test de gravedad específica. .................................................................... 25

Tabla 8: Parámetros de entrada para el cálculo de la gravedad específica y densidad para

muestras menores a 4.75 [mm] medidos en laboratorio. ............................................................... 25

Tabla 9: Resultados del test de gravedad específica y densidad. .................................................. 25

Tabla 10: Resumen de caracterización del material. ..................................................................... 27

Tabla 11: Resultados generales del experimento 16% de humedad. ............................................ 32

Tabla 12: Resultados generales del experimento 18%. ................................................................. 36


Tabla 14: Resultados del experimento réplica 20% de humedad. ................................................. 40

Tabla 15: Resultados generales de los experimentos de 20% humedad con 4 puntos. ................. 42



Tabla 18: Resultados generales del experimento réplica 22%. ...................................................... 45

Tabla 19: Resultados generales del experimento segunda réplica 22%. ....................................... 47


Tabla 21: Resultados generales de la masa húmeda promedio de extracción para los experimentos

realizados. ..................................................................................................................................... 50

Tabla 22: Resultados generales de la masa entre colgaduras para cada experimento. ................ 53

Tabla 23: Clasificación de consistencia del material según norma BS-8500 [11]. .......................... 61

Tabla 24: Resultados de experimentos de pérdida de humedad por ambiente. ............................. 67

Tabla 25: Resultados Experimento 16% base 1. ........................................................................... 70

Tabla 26: Resultados Experimento 16% base 2. ........................................................................... 71

Tabla 27: Resultados Experimento 18% parte 1. ........................................................................... 72

Tabla 28: Resultados experimento 18 % parte 2. .......................................................................... 74


X



Tabla 32: Resultados Experimento 20% réplica 1. ........................................................................ 82



Tabla 35: Resultados Experimento 21%. ....................................................................................... 95

Tabla 36: Resultados Experimento 22%. ..................................................................................... 100

Tabla 37: Resultados Experimento 22% réplica 1. ...................................................................... 103

Tabla 38: Resultados Experimento 22% réplica 2. ...................................................................... 108

Tabla 39: Resultados Experimento 24%. ..................................................................................... 111

XI

Índice de Ecuaciones

Ecuación 1: Criterio de falla de Mohr-Coulomb ............................................................................. 64

Ecuación 2: Densidad del mineral. ................................................................................................ 65

Ecuación 3: Gravedad específica. ................................................................................................. 65

Ecuación 4: Gravedad específica OD (Oven Dry). ......................................................................... 66

Ecuación 5: Gravedad específica SSD (Saturated Surface Dry). ................................................... 66

Ecuación 6: Gravedad específica aparente. .................................................................................. 66

Ecuación 7: Porcentaje de absorción de agua. .............................................................................. 66

Ecuación 8: Porcentaje de humedad ............................................................................................. 67

Ecuación 9: Pérdida de humedad .................................................................................................. 67

XII

Nomenclatura

ASTM: American Society for Testing and Materials.

DOZ: Deep Ore Zone.

EESS: East Ertsberg Skarn System.

GBT: Gunung Timur Bijih.

IOZ: Intermediate Ore Zone.

LHD: Load Haul Dump.

OD: Oven Dry.

SLC: Sub Level Caving.

SSD: Saturated Surface Dry.

1

1. Introducción

Los accidentes generados por ingreso repentino de barro siempre han causado numerosos

problemas en la minería subterránea [1], ocasionando accidentes que han afectado a trabajadores,

infraestructuras mineras, equipos, cierre de sectores de trabajo e incluso cierres parcial o

permanente de las faenas mineras con las respectivas reservas remanentes [2]. Estos ingresos

repentinos de barros conocidos como estallidos de barro o bombeos, afectan en particular, a la

minería de hundimiento como Block Caving y sus variantes.

El método Block Caving es un método de bajo costo, de producción masiva y que se está

utilizando cada vez más en la minería [3]. Se destaca que a futuro una de las minas a cielo abierto

más grande e importante de Chile, Chuquicamata utilizará este método de extracción en su nueva

fase subterránea [4].

El barro es principalmente generado por partículas finas que se mezclan con sustancias

acuosas en diferentes tipos de condiciones, tales como: deshielo cordillerano, filtraciones de

relaves, acuíferos y condiciones meteorológicas (nieve y lluvia). Esta mezcla genera problemas en

los puntos de extracción, ya que puede generar eventos de agua barro, como escurrimientos,

deslizamientos y bombeos, además de constantes filtraciones de agua en las galerías y puntos de

extracción.

Existen herramientas de mitigación y control de este problema de barro como: túneles de

drenaje que permiten el traslado de este barro hacia niveles inferiores o hacia el exterior de la mina,

tabla de criticidad de la humedad cualitativa del barro, la cual es una forma preventiva de cierre de

puntos extracción o considerar control de la extracción a este como, por ejemplo, utilizar equipo

autónomo o semiautónomo para evitar el riesgo de accidentes de personas [5]. Sin embargo, la

mayoría de estas herramientas no considera recuperar reservas con problemas de barro

extrayéndola directamente, excepto por la última mencionada, pero está alternativa no ha sido

estudiada acabadamente, por lo tanto, la motivación de este trabajo va enfocada en estudiar los

eventos de barro, a través de simulaciones en modelo físico que represente a una mina con el

método de hundimiento: Block Caving.

2

1.1 Hipótesis de trabajo

Los eventos de barros se producen por la extracción de material con un porcentaje de humedad

crítico que le otorga una consistencia con la capacidad de fluir.

1.2 Objetivo general

Determinar y estudiar el porcentaje de humedad crítico para la ocurrencia eventos de barros

en un punto de extracción aislado.

1.3 Objetivos específicos

Determinar un rango de porcentaje de humedad crítica para escurrimientos de barros en un

punto de extracción aislado, mediante la aplicación del “Cono de Abrams”.

Caracterización del material: consistencia, densidad, gravedad específica, resistencia al corte,

granulometría, pérdida de humedad por ambiente.

Analizar la productividad de extracción aislada del LHD.

Analizar masa entre colgaduras y colgaduras por experimento.

Analizar elipsoides de flujo de material.

Cuantificar la variación de humedad en la extracción.

1.4 Alcances

El trabajo se desarrolla a escala de laboratorio en un modelo físico 3D con una batea de

extracción, del cual se centra en la extracción desde un punto de extracción con un LHD.

El material utilizado sigue una curva granulométrica construida arbitrariamente.

1.5 Limitaciones

No se analiza el efecto de la carga vertical ni la fragmentación del mineral.

No se analiza el efecto de la fuerza de gravedad ni la temperatura en las partículas, ya que

no se puede simular la que existe en la mina.

3

2. Antecedentes

En este capítulo se revisan los conceptos de Agua-barro y/o barro, según su porcentaje de

agua, su capacidad de fluir, proveniencia y metros lineales afectados en la zanja desde el punto de

extracción. También los modelos físicos previos que hayan trabajado con material fino y húmedo;

su metodología y variables. Así como también casos estudios en donde describen causas, riesgos,

consecuencias y medidas de mitigación para enfrentar estos eventos de agua-barro utilizadas hoy

en día. Por último, las variables que caracterizan estos eventos, tales como, humedad cualitativa,

consolidación y compactación, arcos cohesivos, permeabilidad y drenaje, dado su importancia para

entender de mejor forma como actúa el barro dentro de la zona de flujo de material (en batea,

columna de mineral, punto de extracción y galería zanja).

2.1 Componentes para la formación de agua-barro

El ingreso de agua-barro está formado por una mezcla de cuatro elementos: material de

granulometría fina, agua, una perturbación y un punto de descarga, el cual puede generar un evento

repentino dentro de un punto de extracción [1]. En particular, los bombeos pueden ocurrir cuando

más del 30% del material presenta un tamaño menor a 5 [cm] y una humedad mayor al 85% [5].

2.2 Tipos de barro

Al existir variaciones del porcentaje de humedad que presenta el Agua-barro, existen dos

categorías principales que destacan en la consistencia del barro en la mina [2]:

Según porcentaje de humedad:

Barro fluido

Barro Viscoso

Según mecanismos de ocurrencia:

Barros Internos

Barros Externos

Mezcla de Internos y Externos

2.2.1 Barro fluido

El barro fluido tiene un alto contenido de agua (hasta un 50%), incluye rocas grandes de hasta

3 m, capaz de fluir fácilmente en superficies horizontales de grandes longitudes. El barro en este

caso se parece a una suspensión fina y generalmente se ve más como una descarga de agua que

como un flujo de lodo, este último tiene una viscosidad más alta y por ende un mayor porcentaje de

masa con respecto al agua. En la Figura 1(a) se muestra un ejemplo del barro fluido.

4

2.2.2 Barro viscoso

El Barro viscoso tiene un bajo contenido de humedad (17–23%), generalmente exhibe

propiedades que muestran un cambio de su viscosidad en el tiempo y tiende a ser rígido. Este

material no fluiría libremente bajo la gravedad, pero si se le agrega un esfuerzo, bajo ciertas

condiciones, podría ser movilizado y expulsado por presión fuera del punto de extracción y a pesar

de su alta viscosidad, puede ser destructivo. En la figura 1(b) se muestra el caso extremo de barro

viscoso rígido saliendo desde el punto de extracción.

Figura 1: (a) Ejemplo de un barro fluido en Cullinan, De Beers. (b) Ejemplo de una

protuberancia de arcilla de superficie muy rígida desde el punto de extracción en la mina

Northparkes, Rio Tinto [2].

2.2.3 Barros internos

Provienen de la formación de barro producido por la reducción de tamaño de esquistos u otras

rocas formadoras de arcilla y minerales ricos en arcilla, ubicados en la columna de mineral quebrado

dentro de la zona de hundimiento. También se incluyen finos que se acumulan como resultado de

procesos mineros anteriores. En la figura 2 y 3 se pueden ver dos mecanismos generadores de

barro.

5

Figura 2: Mecanismo primario para la ocurrencia de un bombeo interno [1].

6

Figura 3: Descarga de barro producto de la compactación de la columna fragmentada [1].

2.2.4 Barros externos

Provienen de la formación de barro en condiciones externas a las presentadas en el entorno

subterráneo del macizo rocoso, se producen por tres fuentes: deposición de relaves, rellenos y fallas

de taludes [6]. En la figura 4, 5 y 6 se muestra un ejemplo de cada formación de barro.

7

Figura 4: Mecanismo de formación de barro por deposición de relaves [1].

Figura 5: Mecanismo de formación de barro por rellenos de caserones [1].

8

Figura 6: Mecanismo de formación de barro por falla de taludes [1].

2.3 Definiciones de eventos de barro según la distancia afectada

División El Teniente ha clasificado los eventos de barro en bombeos, escurrimientos y

deslizamientos, considerando características claves de su comportamiento como: la magnitud de

su fuerza y velocidad, distancia lineal que recorre en las galerías e infraestructuras y/o personal del

trabajo. A continuación se presentan las definiciones según División El Teniente [7].

2.3.1 Bombeo

Descarga violenta de barro que se produce en la zona de influencia de un área de extracción,

a través de la infraestructura existente al interior de la mina subterránea, tales como zanjas y puntos

de extracción. El desplazamiento del barro cubre una superficie significativa de las labores

involucradas (sobre la gradiente por distancias mayores a 20 [m] lineales de labor), interrumpiendo

el proceso operacional, pudiendo ocasionar daño a la infraestructura y/o persona.

2.3.2 Escurrimiento

Deslizamiento de material barroso infiltrado desde los niveles superiores a través de la

infraestructura existente al interior de la mina subterránea, tales como zanja, puntos de extracción,

chimeneas y labores. El deslizamiento de este material barrosos se produce en forma lenta y

acotada, alcanzando distancias inferiores a los 20 [m] lineales, y no afectando la infraestructura del

sector.

9

2.3.3 Deslizamiento

Desplazamiento de material del talud en el punto de extracción o al interior del buzón de pique

de traspaso, producto de la saturación por humedad o agua, el cual no involucra un movimiento

relevante de la columna del mineral. El desplazamiento de este material puede o no proyectarse a

la galería, sin sobrepasar la gradiente, su influencia es menor a un escurrimiento y no provoca

interferencias significativas al proceso productivo.

2.4 Definición de humedad en el contexto de ingreso de agua-barro

Al igual que en los casos anteriores la División El Teniente de Codelco, ha realizado estudios

y una recopilación histórica de barro, permitiendo determinar los parámetros más importantes en la

ocurrencia de escurrimientos y bombeos de barro, están relacionados con la humedad en el material

presente en los sectores productivos y granulometría del material, es por esto que realizo un criterio

de clasificación de seis estados cualitativos de humedad, lo que permite una fácil interpretación de

la humedad del material en terreno. A continuación se pueden ver los estados de clasificación [8]:

Seco (H=0):

El punto de extracción se observa sin presencia de humedad. En terreno, el guante

debe comprimir un puñado de material, y al liberarlo, las partículas se separan unas de otras

y el guante permanece seco.

Baja humedad (H=1):

El punto de extracción se observa con el material fino (inferior a 5 [cm]) con baja

humedad y de un color más oscuro que el seco. En terreno, el guante debe comprimir un

puñado de material, y al liberarlo, las partículas se separan unas de otras, dejando el guante

con trazas de humedad.

Humedad (H=2):

El punto de extracción se observa con material húmedo. En terreno, el guante debe

comprimir un puñado de material, y al liberarlo, las partículas tienden a cohesionarse y

formar una masa frágil que, frente a presión, se rompe.

Barro Incipiente (H=3):

El punto de extracción se observa con humedad y a la vista se presenta con una

textura pastosa. En terreno, el guante debe comprimir un puñado de material, y al liberarlo,

las partículas tienden a cohesionarse y formar una masa resistente que, aunque sea lanzada

contra una superficie plana, no pierde su forma comprimida.

10

Barro (H=4)

El punto de extracción se observa con humedad y a la vista se presenta con una

textura barrosa y presenta un brillo propio de la presencia de saturación de agua. En terreno,

el guante debe comprimir un puñado de material y comprobando que el barro se escurra y

es incapaz de formar una masa comprimida.

Agua (H=A)

El punto de extracción se observa con material con una granulometría media a gruesa

(superior a 25 [cm], permitiendo que el agua se escurra sin provocar mayores

complicaciones operacionales.

Para el caso de granulometría, se considera clasificado como fina si la partícula

presenta un tamaño inferior a 25 [cm]. Luego de se puede realizar una clasificación del punto

de extracción a través de la matriz de criticidad utilizando el porcentaje de finos y su humedad

cualitativa como se ve en la tabla 1.

Tabla 1: Matriz de criticidad utilizada en El teniente [3].

Matriz de Criticidad

G(x): Granulometría fina (menor a 25 cm)

G(x) < 25% 25% ≤ G(x) < 50% 50% ≤ G(x) < 75% G(x)≥ 75%

Hu

me

da

d c

ua

lita

tiv

a

H0: Seco

H1: Levemente húmedo

H2: Húmedo

H3: Barro incipiente

H4: Barro

A: Agua

Normal

Observación

Alerta

11

La categoría normal representa un punto de extracción donde la humedad y granulometría es

favorable para la continuidad de la operación. Se considera la categoría como observación, cuando

un punto de extracción requiere de una observación de cómo evoluciona su humedad,

granulometría y si un punto de extracción cae en la categoría alerta, se debe considerar la matriz

de criticidad como una referencia, la cual debe ser respaldada por inspección en terreno por

personal técnico (Operadores, Geólogos de Producción, Planificadores y Jefe de Control

Producción Mina), muestreo por humedad cuantitativa (laboratorio), análisis de porcentaje de

extracción y/o interacción del punto de extracción con sectores abandonados que tengan un historial

de presencia de humedad y porcentaje de material quebrado, para ser clasificado en estado de

Barro [3].

2.5 Casos de estudios en faenas mineras

Bombeos de barro plantean un peligro considerable para la seguridad en la minería

subterránea. La rapidez del flujo de barro hace que el escape del personal en su trayectoria sea

muy poco probable [3], si no se ha detectado a tiempo. Para estos casos existen mecanismos de

activación y señales de advertencia, son en general bastante bien entendidos, pero aún no es

posible predecir cuándo ocurrirá un ingreso abrupto de barro y esto puede generar terribles

consecuencias, que van desde lesiones y pérdida de vida de trabajadores, daños a la infraestructura

y equipos, altos porcentajes de dilución en los puntos de extracción, retrasos en los programas de

producción y en casos más extremos, el cierre definitivo de la mina. [2]. Algunos ejemplos de minas

afectadas por eventos de agua barro son mostrados en la tabla 2:

Tabla 2: Faenas mineras que han presentado ingreso de barro en el mundo [3].

Faena

Descripción

Kimberley

y De

Beers

(Sudáfrica)

Son minas de diamantes donde se producen eventos de barro debido a la

mezcla de Kimberlita que contiene arcillas y esquistos, con agua proveniente

de lluvias, con esta mezcla se forma barro. El ingreso del agua es a través

de una operación a cielo abierto ubicada en la superficie.

Ue (Zambia) Mina explotada por Block Caving y Sublevel Caving. Se generó ingreso de

barro por una irrupción de relaves en la mina y como consecuencia murieron

89 personas. Fleischer en 1976 planteó la hipótesis de que una capa de

arcilla debajo de la presa puede haber actuado como base flexible y haber

provocado un cierto grado de deformación del terreno.

12

Dutoitspan Mine

(Sudáfrica)

Mina explotada mediante Sulevel caving, a través de un impulso importante

de barro se produjo en el nivel 870 [m] de producción, durante el cual se

estima que más de 4.400 [m3] de barro ingresaron en las labores mineras.

Algunas de las causas encontradas fueron que las galerías de drenaje

superficial no estaban bien cuidadas y/o bloqueadas, había un pobre control

en las aguas superficiales y filtraciones de aguas subterráneas en los pozos.

Hubei (China) En una mina SLC de mineral de hierro en Hubei, China. Experimentó un

bombeo en 2004, al menos una persona murió. La masa de roca de la minera

de hierro es muy competente y no genera finos excesivos, prácticamente no

posee arcillas. En 1998, se experimentaron extremas lluvias e inundaciones

que generaron finos, que se desplazaron en la columna de extracción

provocando el ingreso de barro.

IOZ, DOZ y GBT

(Indonesia)

PT Freeport Indonesia, tiene el yacimiento Deep Ore Zone (DOZ), que es una

de las tres minas panel caving en el East Ertsberg Skarn System (EESS)

después de Gunung Timur Bijih (GBT) y la Intermediate Ore Zone (IOZ).

Poseen características geológicas e hidrológicas complejas, con altas

precipitaciones con un promedio anual de 5500 [mm]. Y sumado al material

fino generado por el método, ha formado una gran cantidad de ingreso de

barro.

El Teniente

(Chile)

El Teniente es el yacimiento de cobre subterráneo más grande del planeta.

Está ubicado en la comuna de Machalí, Región del Libertador General

Bernardo O'Higgins, a 50 kilómetros de la ciudad de Rancagua. Mezcla de

agua proveniente del deshielo y los finos generados por el hundimiento,

asociado a sobre tiraje, son las principales causas de bombeos. Se han

registrado una serie de eventos de este tipo, incluso provocando la muerte

de personas.

13

2.5.1 Medidas para enfrentar barro

Debido a la problemática del barro en las faenas mineras del mundo como las que se han

presentado en la tabla 2, se tomaron medidas en cada una de estas minas, para controlar el ingreso

del barro, del cual se puede ver las siguientes:

Kimberley- Wesselton (Sudáfrica)

El problema de ingreso del barro comenzó a combatirse mediante construcciones de túneles

para así aumentar el drenaje de este. Estos túneles eran sólo un éxito parcial, ya que no impedían

que el agua de lluvia llegue a los botaderos, y por consecuencia el reingreso del barro [1].

Mina Dutoitspan

Esta operación fue una de las primeras en incorporar el desarrollo de un sistema de galerías

de drenaje se inició en 1908, con la necesidad de impedir la entrada de barro. Dos túneles de

drenaje fueron desarrollados inicialmente a 20 m y 45 m de la superficie, y estos túneles fueron

relativamente exitosos en la reducción de la frecuencia de ingreso de barro [3].

Mina Padcal

Para operar con un menor riesgo de bombeos, se propuso rellenar la cavidad sobre el nivel

de desagüe natural hacia una quebrada, para evitar el ingreso de agua lluvia a la zona de

subsidencia. La operación de relleno es ejecutada permanentemente, operando con equipos

livianos en la cavidad. La práctica ha permitido evitar la ocurrencia de bombeos, aun cuando no

elimina el ingreso de agua al material fragmentado [3].

Kimberley minas subterráneas JV

En la minas subterráneas JV, las medidas que utilizaron para combatir los bombeos de barro

fueron [9]:

Asegurar perfiles de tiraje uniforme, lo que aumenta las posibilidades de evitar el ingreso de

barro y la planificación debe incorporar los criterios hidrogeológicos en el cálculo de

reservas.

No deben permitirse tasas de extracción altas ya que generan una extracción irregular y a

menudo puntos aislados que provocan la ocurrencia de estos eventos.

14

PT Freeport Indonesia

En PT Freeport, las tres minas Panel Caving (GBT, IOZ y DOZ) han proporcionado

información valiosa para el desarrollo del procedimiento y la mitigación de los problemas actuales

de barro y se ha establecido programas de control y monitoreo de la humedad, reduciendo el riesgo

de ocurrencia de los eventos barro, de los cuales se mencionan los siguientes [10]:

Activa extracción de agua a través de piques de drenaje.

Equipos LHD tele-operados en áreas de barro para reducir la exposición de personal minero

a la ocurrencia de un evento peligroso.

Inspecciones de barro realizados por ingenieros geotécnicos, hidrólogos e ingenieros de

operación.

Procedimientos operativos estandarizados que consiste en una implementación de sistema

de clasificación de los puntos de extracción con barro en base a la humedad, granulometría

y el tipo de cargador como se muestra en la tabla 3:

Tabla 3: Matriz de clasificación en mina DOZ [5].

Wetness / Water content

Material size ≥ 5 cm (M)

M > 70% (dominated by coarse grain)

30% < M ≤ 70%

M ≤ 30% (dominated by fine grain)

< 8.5% (dry) A1 B1 C1

8.5 - 11% (moist) A2 B2 C2

≥ 11% (wet) A3 B3 C3

Note: Green box: any loader

Yellow box: any loader with close supervision

Red box: remate loader

For Class B2 and A3, HOD/Fragmentation information is critical to consider

suraly

En la tabla 3, las zonas verdes permiten realizar extracción con cualquier cargador, zonas

amarillas con cualquier cargador, pero con una supervisión cercana, zonas rojas con cargadores

remotos y en específico, para la clase B2 y A3 la información de la fragmentación es crítica para

considerar adecuado extraer.

15

2.6 Drenaje en columna de extracción

El drenaje natural ocurre en los puntos de extracción cuando el barro que está contenido en

las columnas de mineral es extraído a través de otros puntos de extracción de mineral saturado,

con esto se logra que el material con alto porcentaje de humedad se vaya a puntos de extracción

de mineral seco o con menor humedad. Se puede apreciar lo descrito anteriormente en la figura 7:

Figura 7: Esquema del drenaje de barro [4].

En la imagen de la izquierda, el barro es transportado hacia los puntos de extracción cercanos

activos al dejar inactivos los puntos de extracción con barro. A la derecha el barro se extrae de los

puntos con barro evitando la contaminación de los otros puntos de extracción con mineral quebrado.

Dados estos puntos, las altas tasas de extracción pueden ser un mecanismo desencadenante

importante para la ocurrencia de eventos de barro. Por lo tanto, si el mineral está saturado y la

extracción es demasiado rápida para permitir la consolidación, entonces es más susceptible al flujo

que un mineral consolidado.

Una condición saturada siempre es más propensa a fluir que una condición no saturada. En

condiciones saturadas, el estrés efectivo medio también puede disminuir al aumentar la presión de

poro, esto es posible si el nivel del agua aumenta dentro o sobre la batea, dado por el drenaje

limitado del agua de la masa granular. Un barro muy compactado en la base de la batea es un

medio de muy baja permeabilidad que favorece la acumulación de agua, es importante darse cuenta

de que el barro siempre puede fluir si está expuesto a una perturbación que excede su resistencia

al corte, sin embargo, el mineral totalmente consolidado o con alta compactación puede ser cientos

de veces más fuerte que el mismo mineral en estados no consolidados o sueltos [11].

16

2.7 Flujo gravitacional

Las operaciones en minería de hundimiento se encuentran continuamente expuestas a la

aparición de escurrimientos y bombeos de barro, al generarse estos eventos de barros provocan

una conexión entre la acumulación de agua y finos de mineral con el punto de extracción [2]. Debido

a problemas asociadas a estos materiales presentes comúnmente en minería de hundimiento, es

que se han desarrollado diversos estudios. Por esta razón se estudió el comportamiento del flujo

gravitacional del barro en la columna del mineral fragmentado. El concepto de flujo gravitacional se

entiende como el movimiento vertical de partículas controlado por la fuerza de gravedad y la fuerza

que proviene de la interacción entre ellas [12].

2.7.1 Modelamiento físico del fenómeno

Con el objetivo de estudiar el comportamiento del flujo gravitacional del barro, varios autores

han utilizado modelos físicos, representados a escala ocupando con el fin de observar y estudiar la

dinámica que gobierna el fenómeno.

Olivares en 2016, trabajó con un modelo físico confinado escalado 1:75, su objetivo fue

cuantificar la influencia del material fino, la humedad, la distribución granulométrica y las cargas

verticales en la fluidez del material. Los resultados más relevantes para esta investigación fue que

las grandes colpas son el principal factor de colgaduras en los puntos de extracción y que la fluidez

disminuye (provoca un aumento de colgaduras) al incrementar el confinamiento y el porcentaje de

finos presente en presencia de humedad. En presencia de finos y humedad se tiene que el flujo

disminuye considerablemente, también, durante los experimentos de flujo confinado, se encontró la

formación de colgaduras en altura, las cuales eran imposibles de descolgar y daban por finalizados

los experimentos. Estas colgaduras varían de altura y diámetro dependiendo de la presencia de

humedad y finos, siendo de menor altura, las que presentan mayor porcentaje de los factores antes

mencionados [13]. A continuación, en la figura 8 se muestra el equipo experimental que utilizó:

17

Figura 8: Equipo experimental: (a) modelo cilíndrico en una máquina de prensado que cambia la carga vertical, σV y (b) el sistema de extracción, ubicado en la parte inferior,

centro del modelo [13].

La figura 9 hace referencia al trabajo realizado por Sánchez et. al [14], se aprecian las

dimensiones de un modelo físico escala 1:75 con su configuración de marcadores dentro de la

columna de mineral quebrado y la batea. El objetivo fue caracterizar el flujo de mineral granular fino

en condiciones de humedad a través de ensayos controlados de laboratorio para el diseño de minas

explotadas por block/panel Caving [14]; en este estudio se utilizó material de varios puntos de

extracción de la Mina Esmeralda en El Teniente, con una humedad entre 2% y 8%. Sus principales

resultados indican que las variables que afectan la geometría de las zonas de flujo son la humedad

y la masa de extracción acumulada.

18

Figura 9: Ejemplo de un Modelo físico, distribución de marcadores en columnas de mineral y cotas de extracción [14].

2.7.2 Consolidación

Cuando un punto de extracción está invadido por barro, la consistencia del barro va variando

con respecto al tiempo, este proceso va ligado directamente a la consolidación.

La consolidación se produce en forma gradual y prolongada en el tiempo, al ejercer un

esfuerzo sobre un cuerpo granular saturado. Por lo tanto, la deformación del cuerpo no solo

depende de la interacción entre las partículas, sino que tambien de la velocidad de salida de agua

del cuerpo, propiedad conocida como permeabilidad [15].

En la minería, este fenómeno se produce cuando esta inactivo por un tiempo determinado un

punto de extracción. Aquí, el material fino se consolida por el peso ejercido por la columna de

minera, desplazando el agua contenida, perdiendo su capacidad de fluir y provocando formaciones

de arcos cohesivos que impiden que el mineral descienda por la columna y llegue al punto de

extracción.

19

2.7.3 Colgaduras cohesivas

Una colgadura se conoce como el impedimento de flujo en el llenado o en la zona de tránsito

de traspaso de mineral [16]. Una colgadura cohesiva se genera a través de una acumulación de

material fino en un medio húmedo, en donde la cohesión del material fino mantiene unidas las

partículas más grandes para formar una matriz continua en forma de arco [17].

En las minas en funcionamiento, las colgaduras son difíciles de eliminar, ya que el acceso a

ellas es difícil. Los arcos entrelazados (o arcos mecánicos) tienen más probabilidades de formarse

en rocas fragmentadas de distribución de tamaño grueso, un ejemplo de esto se ve en la figura

10(a). El arco cohesivo en la figura 10(b) requiere que el material tenga una proporción importante

de finos. Podría decirse que el porcentaje de finos en la distribución general del material influye en

la frecuencia de posibles colgaduras causados por el arco cohesivo.

Figura 10: Tipos de colgaduras: (a) arco mecánico (b) arco cohesivo [16].

La cohesión de la fracción fina rara vez es constante. Un aumento en la humedad introducida

por los aerosoles de agua para el control del polvo y/o las pérdidas de humedad durante el drenaje

por gravedad cambian la cohesión. Estos factores pueden inducir el quiebre repentino del arco

cohesivo, esto sucede si el peso del arco excede la resistencia al corte donde el arco se apoya.

Una forma de prevenir los arcos cohesivos es mantener activa la extracción y controlar la

generación de finos a través de un buen control en la tronadura. [17]

20

2.8 Conclusión de Antecedentes:

Diversos autores han descrito la formas de caracterizar el barro, ya sea, por su consistencia,

lugar de proveniencia de los elementos que lo forman o según la magnitud del ingreso de este

dentro de las infraestructuras de la mina. Existen métodos para medir la humedad del barro

cualitativamente que ayudan a clasificar de manera rapida el material en el terreno, a modo de

critica, se recomienda agregar a este método un forma cuantitativa de medir la humedad a modo

de obtener mayor información que cuantifique la clasificación de la humedad, para prevenir los

riesgos asociados en la generación de barro en los puntos de extracción. Además, agregar que

existen medidas para mitigar la condición de barro posterior a la ocurrencia del evento, que varian

según el caso de estudio (“mina”). Existen diversos estudios sobre parametros que afectan a la

formación de colgaduras (mecánicas y cohesivas) en un pique (ore pass), pero pocos se han

centrado en lo que ocurre dentro de el o los puntos de extracción con altos porcentajes de humedad.

Esto motiva a investigar medidas de prevención en la ocurrencia de eventos de barros, donde en

primer lugar se debe estudiar el punto crítico de humedad de formación de barro, para entender la

mecánica que está dentro de la columna de mineral quebrado, la batea y el o los puntos de

extracción.

21

3. Desarrollo experimental

Este capítulo describe la metodología experimental utilizada, que se divide en tres tópicos:

caracterización del material, dimensionamiento del modelo físico y el plan experimental de

extracción de barro. A través de esta, se busca realizar una simulación de una extracción aislada

de barro usando un modelo físico. El esquema general de todo el trabajo realizado se muestra a

continuación en la figura 11, cada una de estos pasos se explicarán en apartados posteriores.

Figura 11: Esquema general de trabajo.

Determinar las variables

a estudiar

Caracterización del

material

Plan experimental

Realizar los experimentos

Análisis de resultados experimentales

Conclusiones y Recomendaciones

22

3.1 Caracterización del material

El primer paso para caracterizar el material fue realizar el experimento del “Cono de Abrams”

a través de la norma ASTM [18]. El material seleccionado es de una minera chilena definido

previamente como barro con una granulometría fina bajo la malla 1 pulgada.

El objetivo de este ensayo fue determinar la humedad crítica en donde el material se comporte

como un barro y pierda la estabilidad, es decir, cuando el asentamiento del material (diferencia de

altura inicial y final) sea mayor a cero.

3.1.1 Cono de Abrams

Se realizaron 3 experimentos (Anexo A), el caso base o experimento 1 y el experimento 2 con

su repetición, con el objetico de analizar el comportamiento del material, comparando su porcentaje

de humedad con el asentamiento del cono y luego clasificar el asentamiento (ΔH) según la

consistencia del material (Anexo A), [11].

En la tabla 4 se muestran los resultados del experimento base (experimento 1), este se realizó

una humedad inicial de 8%, dato extraído de estudios realizados anteriormente con este tipo de

material [14], pero los resultados del cono no fueron concluyentes debido a que existe una

incongruencia al clasificarlo por la consistencia y porque el material con humedad entre 8% y 12%

no logró la viscosidad y/o cohesión necesaria para realizar el experimento, por esta razón se

descartó.

Tabla 4: Resultado del experimento 1 del “Cono de Abrams”.

Experimento Experimento 1 (caso base)

Humedad [%] ΔH [cm] Consistencia

8 7.9 Plástico

10 9.1 Plástico

12 3.83 Seco

14 2.9 Seco

16 0.2 Seco

18 0 Seco

20 0.4 Seco

22 4.5 Plástico

24 6 Plástico

23

Se comenzó el experimento 2 con una humedad donde el asentamiento del cono fuera lo más

cercano a cero y considerando que la humedad sea lo más bajo posible, en este caso se escogió

16%, ya que este valor es más cercano al rango con que trabajo Sánchez en 2017. Para comprobar

que los resultados fueran válidos se ejecutó una réplica. En la tabla 5 se muestran los resultados

de estos experimentos, en donde se clasificó cada experimento según su asentamiento (diferencia

de altura) y consistencia (Anexo A).

Tabla 5: Resultados del experimento 2 y su réplica del “Cono de Abrams”.

Experimentos Experimento 2 Réplica experimento 2

Humedad [%] ΔH [cm] Consistencia ΔH [cm] Consistencia

16 0 Seco 0.4 Seco

18 0.8 Seco 2.1 Seco

20 4.5 Seco 4.9 Plástico

22 12.2 Blando 10.9 Blando

24 20 Fluido 16 Fluido

26 22.6 Fluido 21.6 Fluido

28 24.8 Fluido 24.8 Fluido

En la figura 12 se puede ver que los dos experimentos siguen la misma tendencia, ya que sus

curvas son similares. Se define la humedad crítica con un 16%, donde el asentamiento es mayor

que cero. A través de estos resultados se tomó el rango de 16% a 28% para realizar los

experimentos en el modelo físico escala 1:75, con el objetivo de encontrar un porcentaje crítico de

humedad en el cual se comienzan a generar eventos de barro.

Figura 12: Gráfico comparativo del porcentaje de humedad vs asentamiento de los

experimentos válidos.

24

3.1.2 Caracterización de la resistencia al corte

En este experimento se seleccionaron 2 [kg] del material seco y homogeneizado para realizar

el ensayo de corte. Este ensayo fue realizado en el laboratorio de mecánica de rocas de la Facultad

de Ingeniería en la Universidad de Concepción, con el fin de caracterizar y determinar resistencia

al corte y ángulo de fricción del material

Figura 13: Gráfico de esfuerzo de corte vs normal para la muestra.

A través del criterio de falla Mohr-Coulomb y la ecuación lineal de la figura 13, se determinó

que ángulo de fricción del material es de 45.87°, el desarrollo de este se encuentra en Anexo B.

3.1.3 Gravedad específica

Para realizar este experimento al material, se siguieron los procedimientos según las normas

ASTM [19] y [20], el cual divide este experimento según el tamaño de partícula en dos partes: >4.75

[mm] y

25

Tabla 7: Resultados del test de gravedad específica.

Parámetros de salida Muestra 1 Muestra 2 Muestra 3

GE OD [kg/m3] 2.55 2.58 2.60

GE SSD [kg/m3] 2.68 2.70 2.71

GE Aparente [kg/m3] 2.93 2.94 2.93

Absorción de agua (%) 5.13 4.82 4.36

En los resultados de las gravedades especificas no se aprecia una variación significativa, sin

embargo, en la absorción se nota una variación de casi 1% entre la muestra 1 y 3, esto se puede

explicar por la porosidad asociada a cada roca. Continuando con el material de granulometría menor

a 4.75 [mm], en la tabla 8 se encuentran los datos medidos en el laboratorio:

Tabla 8: Parámetros de entrada para el cálculo de la gravedad específica y densidad para

muestras menores a 4.75 [mm] medidos en laboratorio.

Parámetros de entrada Muestra 1 Muestra 2 Muestra 3

Masa de la muestra [g] 100.1 100.2 100.2

Masa del matraz [g] 166.5 166.9 167.3

Masa del matraz con la muestra [g] 266.6 267.1 267.5

Masa del matraz con la muestra y agua [g] 759.4 759.3 759.6

Masa del matraz con agua [g] 694.5 694.5 694.5

Densidad del agua [kg/m3] 0.99878 (17°C) 0.99878 (17°C) 0.99878 (19°C)

Los resultados de la tabla 9 reflejan que el picnómetro es la herramienta indicada para calcular

la densidad y gravedad específica, ya que existe poca variación en los resultados. Los datos y los

procedimientos de este experimento se encuentran en Anexo C.

Tabla 9: Resultados del test de gravedad específica y densidad.

Material Gravedad específica [kg/m3] Densidad [kg/m3]

Muestra 1 2.84 2.84

Muestra 2 2.83 2.83

Muestra 3 2.85 2.85

26

3.1.4 Experimento de pérdida de humedad por ambiente

Para determinar el porcentaje de pérdida de humedad del material durante la realización de

los ensayos de flujo, se realizó un experimento de tres muestras con diferentes porcentajes de

humedad (16%, 20% y 24%) y se realizaron 8 mediciones al día, masando cada 1 hora durante dos

días. Las muestras se mantuvieron en el mismo lugar donde está el modelo físico para simular las

mismas condiciones experimentales.

Los resultados del experimento de pérdida de humedad por ambiente (evaporación) son

mostrados en la figura 14, al calcular la pérdida que se genera a las 24 horas, llega hasta un 1.43%,

2.00% y 2.69% para el 16%, 20% y 24% respectivamente. Los datos se encuentran en Anexo D.

Figura 14: Gráfico de variación de la humedad por ambiente con respecto al tiempo.

En la tabla 10 se presenta un resumen general de la caracterización del material, de esta

forma estos datos describen de mejor forma el material utilizado en esta investigación.

y = -0,0573x + 15,898R² = 0,9946

y = -0,0784x + 19,806R² = 0,9924

y = -0,1044x + 23,754R² = 0,9943

0,00

4,00

8,00

12,00

16,00

20,00

24,00

28,00

0 4 8 12 16 20 24 28 32 36

Hu

med

ad [

%]

Tiempo [h]

Variación de la humedad con respecto al tiempo

16% Humedad

20% Humedad

24% Humedad

Lineal (16%Humedad)

27

Tabla 10: Resumen de caracterización del material.

Parámetro a caracterizar Muestra 1 Muestra 2 Muestra 3

Ángulo de fricción del material (∅) 45.87° - -

Muestras + 4.75

[mm]

Gravedad específica OD [kg/m3] 2.55 2.58 2.60

Gravedad específica SSD [kg/m3] 2.68 2.70 2.71

Gravedad específica Aparente [kg/m3] 2.93 2.94 2.93

Absorción de agua [%] 5.13 4.82 4.36

Muestras – 4.75

[mm]

Gravedad especifica [kg/m3] 2.84 2.83 2.85

Densidad [kg/m3] 2.84 2.83 2.85

3.2 Dimensionamiento del modelo físico

El modelo físico, consiste en una maqueta de acrílico a escala de laboratorio de 1:75,

construida previamente para estudios de material fino. Con una batea en su base, que representa

una malla de extracción de 34 x 25 [m]. La principal ventaja de la escala pequeña en comparación

con la escala completa es el bajo costo, el tiempo de trabajo reducido y también ofrece una buena

visión del fenómeno físico. Además, estudios recientes indican que se pueden obtener resultados

satisfactorios utilizando un factor de escala de 1: 100 y 1: 200 [14]. La figura 15 presenta la

geometría del modelo físico y la distribución de los marcadores. Las dimensiones de la cámara de

flujo son 66.7 [cm], 52.1 [cm] y 33.3 [cm], altura, anchura y profundidad, respectivamente (50.0 [m],

39.1 [m], 25.0 [m] escaladas). Su configuración de marcadores consistió de una distribución de 77

marcadores por nivel, con 6 niveles en todo el modelo.

Figura 15: Dimensionamiento del modelo físico y de marcadores [14].

28

3.2.1 Análisis de similitud

Las dimensiones de la batea son de 9.33 [cm] de alto y de 19.50 [cm] de largo (7.00 [m] y

14.60 [m] de escala). La geometría de la batea simula a la que usarán en la operación de

Chuquicamata Subterránea por el método Block Caving. La dimensión de la galería zanja es de 6 x

6 [cm2] (4.50 x 4.50 [m2] escala). Para el sistema de extracción se escalaron dos equipos de carga

de material llamado LHD (Load Haul Dump) de 14 [yd3] con un volumen a escala de laboratorio de

2.52 x 10-5 [m3], Los LHD son accionados eléctricamente que permiten tener diferentes condiciones

de extracción: extraer desde uno (extracción aislada) o de dos puntos de extracción de la misma

batea.

El concepto de similitud considera dos sistemas, uno de los cuales se lo denomina prototipo

y el otro modelo. El objetivo de este análisis es garantizar que los resultados arrojados por un

modelo físico sean representativos a una escala real. Teóricamente se conoce que para la

existencia de similitud entren dos sistemas, se requiere que existan tres similitudes distintas,

geométrica, cinemática y dinámica [21]. La similitud dinámica en un modelo es complicada de

lograrla, esto es debido a los efectos de escala que produce el cambio de tamaño en comparación

con el prototipo. Para esto una aproximación es únicamente considerar las fuerzas preponderantes

en el fenómeno de estudio [22].

El análisis realizado para el escalamiento del material fino se debe a que el flujo del mineral

es influenciado por varios factores. El material utilizado corresponde a mineral fino con un tamaño

escalado que tiene un máximo de 25.4 [mm] y partículas menores a 0.074 [mm]. Material

extremadamente fino en el que las fuerzas preponderantes que rigen al flujo gravitacional como la

gravedad y fricción tendrían un efecto menor al 100% [23]. Las fuerzas inter-partículas como las de

Van der Waals son microscópicas, pero como aporte global al material experimentado pueden ser

significativas y su acción podría causar un comportamiento del flujo alejado a la realidad, obteniendo

un número sobreestimado de condiciones de “No Flujo” [14]. Es por esto que las reglas de

escalamiento no aplican a todos los flujos granulares y deben ser eventualmente modificadas,

dependiendo de las fuerzas dominantes del problema en particular [22]. Partículas esféricas con un

diámetro de 100 [µm] pueden mostrar fuerzas de Van der Waals igual al peso individual de cada

partícula [24]. Por lo tanto, las fuerzas de gravedad preponderantes en las partículas con un tamaño

superior a 0.1 [mm]. Para el caso del material utilizado en esta investigación el 10.64% corresponde

a partículas con tamaños inferiores a 0.149 [mm] (malla 100), por lo que consecuentemente las

fuerzas de gravedad son preponderantes en el 89.36% del material.

29

3.3 Plan experimental de extracción de barro

Para comprender de mejor forma cómo se comporta el barro dentro de la columna de

extracción se realizó un experimento base, el cual consiste en trabajar con material fino de

granulometría bajo 1”, que sigue la curva granulométrica que se muestra en la figura 16, se

caracteriza principalmente con un d80 de 9.6 [mm] y d50 de 3.1 [mm], con una humedad crítica

previamente definida a través del “Cono de Abrams”.

Figura 16: Curva granulométrica.

Los experimentos se llevaron a cabo llenando un tercio del modelo, realizando extracción

aislada (1 LHD) y en particular, en los primeros dos se le agregaron “líneas de flujo” de color

colocadas arbitrariamente para observar algún cambio, en la figura 17 se observa los componentes

del modelo físico. También se definió que, para finalizar los experimentos, se debe ejecutar como

mínimo un 5% extracción total y/o como máximo 200 extracciones (100 extracciones diarias, 2 días

máximo, si se supera este tiempo la pérdida de humedad es significativa).

El método de descuelgue se prosiguió de la siguiente forma: la pala LHD intento descolgar

por sí sola realizando intentos de extracciones normales, por lo tanto, en la circunstancia en donde

la pala no pudo descolgar, se le realizó un descuelgue manual.

30

La pala LHD, es controlada por un software vía cable red y/o internet, esta interfaz da opciones

para trabajar con dos palas independientes entre sí, contiene tres velocidades: baja, media y alta,

con botones de on/off, modo vibración al cargar y un último botón levantar, para acortar la distancia

que recorre el LHD en caso de que fuera necesario.

Figura 17: Modelo físico no confinado - Escala 1:75.

En la figura 18, se presentan las variables de entrada y de salida que se medirán y determinarán

en este experimento, las selecciones de estas variables se extrajeron de experimentos anteriores

relacionados con la extracción de material en modelos físicos escalados.

31

Figura 18: Variables de entrada y salida a estudiar en el experimento.

Variables de entrada:

Posición original de los

marcadores

Humedad del test

Curva granulométrica

Altura de llenado

Cantidad de material

Variables de salida:

• Masa entre extracciones

• Colgaduras

• Recuperación de marcadores

• Porcentaje de humedad de cada

extracción.

• Variación del porcentaje de humedad de

cada extracción.

• Productividad de extracción.

• Masa entre colgaduras cohesivas.

• Elipsoides de flujo del material

• Eventos de barro generados

32

4. Resultados experimentales y Discusiones

El presente capítulo abarca los resultados y discusiones de los experimentos de extracción

de barro, desde 16% hasta un 26% de humedad. Se reporta el análisis de productividad de

extracción, masa entre colgaduras, colgaduras por cada experimento, elipsoides de flujo del

material, cuantificación de la variación de la humedad en la extracción y también se incluyeron

réplicas en los puntos de interés y/o críticos. Las hojas de registro de datos de los experimentos

realizados se encuentran en Anexo E.

4.1 Experimento 16% de humedad

El experimento se realizó llenando el modelo con 66 [kg] de muestra con un porcentaje de

humedad de 16% (parte 1) y luego de que se realizó la primera parte, se le añadió 2% de agua en

la parte superior del modelo (parte 2) con el objetivo de observar un evento de barro.

Como se resume en la tabla 11, el experimento 16% parte 1 y 2, se vio afectado por una gran

cantidad de colgaduras que genero una gran variabilidad en la extracción, esto se ve reflejado en

la alta desviación de la masa húmeda promedio extraída. Esto es debido al sobre tamaño existente

en la muestra que cae dentro de un rango entre 2.54 [cm] y 5 [cm]. Es por esto, que para el

experimento 1 se tomó en cuenta este acontecimiento y se extrajo todo el material sobre 2.54 [cm]

(1”), para lograr una extracción continua.

Tabla 11: Resultados generales del experimento 16% de humedad.

Parámetros de medición Experimento 16% parte 1 Experimento 16% parte 2

N° de extracciones 30 19

N° de colgaduras 11 6

Masa total extraída [g] 1215.1 744.4

N° de marcadores 1 4

Humedad promedio de extracción 14.20% ± 3.51% 15.59% ± 4.52%

Porcentaje de extracción 1.84% 1.13%

Masa húmeda promedio de extracción [g] 40.50 ± 27.27 39.17 ± 18.64

En la parte 1 del experimento la humedad promedio es menor a la inicial, esto se puede

explicar por la pérdida de humedad por ambiente y que a medida que se va extrayendo el material

se consolida y libera el agua que contiene, esto se puede observar en la figura 19. También se

observó que con un porcentaje de humedad del 16% perjudicó aún más la extracción por su

comportamiento plástico, al momento de levantar el material con la pala, este se quedaba adherido

al material colgado en la batea como se muestra en la figura 20.

33

Figura 19: Filtración en el punto de extracción del experimento base.

Figura 20: Colgadura debajo de la batea producida por sobre tamaños (el ángulo de reposo del material fue de -68° y está marcado con línea punteada roja).

34

Durante el experimento se midió la productividad de extracción (figura 21), las colgaduras

están designadas con puntos rojos y se destaca la variabilidad del comportamiento previo a la

colgadura, que en general existen casos en que disminuye y aumenta para la primera parte del

experimento (Masa húmeda base 1), sin embargo, para la segunda parte (Masa húmeda base 2)

disminuye la masa extraída antes de una colgadura, esto sucede porque al extraer el material de la

galería zanja disminuye la cantidad disponible a extraer y por lo tanto se forma la colgadura; también

la consistencia del material a este porcentaje hace que el material no tenga la capacidad de fluir

con facilidad y causando una mejor condición para que se cuelgue.

En la parte 2 del experimento, al agregar el agua adicional en la parte superior del modelo

para aumentar la humedad un 2% se produjo una superficie inundada de agua que posteriormente

al extraer y descolgar se fue filtrando por el otro lado del punto de extracción que estaba inactivo,

al efectuar la extracción 26 la pala quedó trabada con un sobre tamaño y dejó de funcionar, por lo

acontecido se detiene el experimento y se realizaron reparaciones a la pala y al software que la

controla.

Figura 21: Gráfico de productividad de extracción de barro del experimento base 16% humedad.

Para la medición de la humedad en la extracción se llevó a cabo el siguiente procedimiento,

cada extracción fue masada (masa húmeda) y llevada al horno, posteriormente se obtuvo su masa

seca y finalmente se calculó la humedad utilizando la ecuación 8 del Anexo D.

0

500

1000

1500

2000

2500

0

20

40

60

80

100

120

140

1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 33 35 37 39 41 43 45 47 49

Mas

a ac

um

ula

da

[g]

Mas

a [g

]

N° de extracciones

Variación de la masa por extarcción

Masa húmeda base 1 Masa húmeda base 2 Masa acumulada Colgaduras

35

En la figura 22, se muestra la disminución de la humedad por cada extracción, La pendiente

de estos gráficos es negativa y mucho más grande que en los resultados del experimento de pérdida

de humedad por ambiente de 16% (pendiente de -0.0573), por lo tanto, otras causas de esta

disminución de la humedad son las extracciones realizadas y filtraciones que ocurrieron (figura 19).

Figura 22: Gráfico de la variación de la humedad por extracción del experimento base 16% humedad.

4.2 Experimento 18% de humedad

Se realizó el experimento con 18% de humedad, el cual se conformó por 3 partes, la primera

son 100 extracciones realizadas en un día, la segunda se realizó al día siguiente y se realizaron 50

extracciones y en la tercera se le agrego un 2% más de agua con el objetivo de observar algún

evento de barro.

Los resultados generales del experimento son mostrados en la tabla 12. En la tercera parte

de este experimento, hay un aumento en la masa húmeda promedio de extracción, este aumento

se debe a la alta variabilidad en la producción como se ve en la figura 23, que es posiblemente

generada por extracciones atípicas con masas sobre los 100 [g] que afectan al promedio y a su

desviación. Estas extracciones atípicas son generadas por partículas de gran tamaño y errores de

control en la pala LHD al realizar un ingresó excesivo dentro del punto provocado por intermitencia

del software.

y = -0,1846x + 17,065R² = 0,2144

y = -0,2805x + 26,811R² = 0,1222

0

4

8

12

16

20

24

28

32

0 10 20 30 40 50 60

Hu

med

ad [

%]

N° de extracciones

Variación de la humedad por extracción

Humedad base 1 Humedad base 2 Lineal (Humedad base 1) Lineal (Humedad base 2)

36

Tabla 12: Resultados generales del experimento 18%.

Parámetros de medición Exp.18% parte 1 Exp.18% parte 2 Exp. 18% parte 3

N° de extracciones 100 50 30

N° de colgaduras 10 3 2

Masa total extraída [kg] 4.83 2.79 2.14

N° de marcadores 9 7 10

Humedad promedio de extracción 18.09% ± 3.40% 17.88% ± 3.29% 18.24% ± 3.19%

Porcentaje de extracción 8.00% 4.61% 3.53%

Masa húmeda promedio de extracción [g] 49.34 ± 29.41 55.79 ± 26.89 71.21 ± 45.53

En la figura 23 se muestra la productividad del experimento 18% parte 1, 2 y 3, en donde las

colgaduras están señaladas con un punto rojo, en general, las bajas de productividad son generadas

por las colgaduras y posterior a esta se observa un aumento en la productividad.

Figura 23: Gráfico de productividad de extracción de barro del experimento 18% parte 1.

0

2000

4000

6000

8000

10000

12000

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

1 10 19 28 37 46 55 64 73 82 91 100 109 118 127 136 145 154 163 172M

asa

acu

mu

lad

a [g

]

Mas

a [g

]

N° de extracciones

Variación de la masa por extracción

Masa húmeda E1.1 Masa húmeda E1.2 Masa húmeda 1.3 Masa acumulada Colgaduras

37

En la figura 24(A) se observa una colgadura y en la 24(B) el descuelgue manual de esta.

Además, en esta figura se aprecia que la cohesión de este material con 18% de humedad hace que

el flujo por gravedad sea nulo.

Figura 24: (A): Colgadura (experimento 1) en el techo de la galería zanja y (B): después de

realizar el descuelgue manual.

Al comparar las pendientes de la variación de humedad de este experimento en la figura 25

con la pendiente del experimento de pérdida de humedad por ambiente (figura 14), estas son

menores, esto nos muest

“modelamiento fÍsico de extracciÓn de mineral...

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