Influencia del esquema y secuencia de avance del minado

Tipos de excavaciones en el minado subterráneo

La explotación de minas subterráneas, involucra la ejecución de una serie de excavaciones rocosas de varias formas, tamaños y orientaciones, que cumplen determinadas funciones para apoyar al proceso de minado. Estas excavaciones son de tres tipos:

• Los tajeos o fuentes de producción de mineral, que son aberturas temporales.
• Los accesos y aberturas de servicios para los tajeos, o denominados también labores de preparación como las galerías y cruceros de acceso, cámaras o galerías de perforación, chimeneas de acceso, chimeneas para relleno, chimeneas para evacuación del mineral, ventanas de carguío, etc., también son aberturas temporales.
• Los accesos y aberturas de servicios permanentes, tales como galerías de nivel, rampas, piques, conductos de ventilación, cámaras especiales, etc.

Los tajeos usualmente constituyen las excavaciones más grandes, generados durante la explotación de un yacimiento, por lo que su área de influencia en la perturbación de la masa rocosa circundante será mayor que otros tipos de excavaciones. Los efectos adversos del minado en tajeos pueden ser disminuidos o aún eliminados, por apropiados esquemas y secuencias de avance del minado. Los accesos y aberturas de servicios para los tajeos, generalmente están ubicados dentro del área de influencia de los mismos, por lo que, en ciertos casos, pueden estar sometidos a condiciones severas y adversas, si no se adoptan medidas de control de estabilidad adecuadas, según las condiciones geomecánicas de la masa rocosa, para asegurar su funcionamiento mientras procedan las excavaciones adyacentes.

Los accesos y aberturas de servicios permanentes deben mantenerse seguros a lo largo de la vida de la mina, por lo que es importante ubicarlos en áreas donde las perturbaciones de la masa rocosa sean mínimas o tolerables.

Esquema y secuencia de avance del minado

Existen variadas estrategias para establecer esquemas y secuencias de avance del proceso de excavación durante la explotación de una mina. De estas estrategias, algunas se adaptan mejor que otras a las condiciones geomecánicas y condiciones naturales presentes en el yacimiento (principalmente a la morfología de la mineralización), de manera que se puedan obtener ventajas significativas en la estabilidad de la masa rocosa.

El esquema y secuencia de avance del minado no puede ser generalizado para todas las minas. Cada mina tiene sus propias particularidades, dependiendo de sus propias condiciones geomecánicas y naturales, por ello es importante que el esquema y secuencia de avance del minado sea definido para cada mina, como parte del planeamiento y diseño del minado.

El caso de pilares

En el minado subterráneo se utilizan diferentes tipos de pilares: pilares cuadrados, rectangulares o irregulares asociados al método de minado por cámaras y pilares; pilares largos o denominados también pilares de costilla, asociados al método de minado de tajeos abiertos por sub niveles con taladros largos, en el cual los pilares son recuperados como tajeos secundarios, después del relleno de los tajeos primarios; pilares de corona o denominados también pilares puentes, asociados principalmente al método de minado por corte y relleno en yacimientos con alto buzamiento; y los pilares de protección, que tienen la función de proteger al minado adyacente o a excavaciones permanentes como piques, chimeneas u otras instalaciones importantes. En el caso de los pilares, hay factores que afectan su resistencia y que están relacionados a los defectos o rasgos estructurales que están presentes en el pilar y la forma y orientación de los mismos.

Para el caso de los pilares utilizados en el método de minado por cámaras y pilares, podemos ilustrar mejor la influencia del esquema y la secuencia de avance del minado en la estabilidad de los mismos. Consideremos, a manera de ejemplo, un cuerpo mineralizado en dónde se presenta una masa rocosa fracturada con tres sistemas típicos de discontinuidades, dos de ellos de rumbos más o menos paralelos y buzamientos opuestos, el tercero con rumbo más o menos perpendicular a los anteriores y cualquier buzamiento. Si se decidiera hacer pilares cuadrados o rectangulares con relación W/H = ½  por ejemplo, en este caso los dos primeros sistemas de discontinuidades interceptarían al cuerpo del pilar de pared a pared, si es que los pilares tuvieran una altura determinada y un ancho limitado. En este caso, ocurriría el debilitamiento de los pilares, lo cual constituiría un problema de falla potencial de la roca. La solución sería hacer pilares rectangulares, alineando el lado mayor perpendicular a los dos primeros sistemas de discontinuidades.

En este caso, el ancho de los pilares no tendría intersecciones de discontinuidades de pared a pared y, por lo tanto, serían mucho más resistentes y estables, aunque las cuñas rocosas en la pared de los pilares podrían moverse, esto no afectaría significativamente la estabilidad de los mismos.

Por otro lado, la presencia de fallas geológicas o zonas de corte pueden influir significativamente en la adopción del esquema de minado por cámaras y pilares, y por lo tanto en las condiciones de estabilidad de las mismas. Los sistemas de minado deberían integrar las fallas o zonas de corte a los pilares para mantener los techos de los tajeos en roca competente.
Esta será una razón por la que algunas veces el esquema de los pilares no será uniforme, variando sus anchos de acuerdo a la presencia o ausencia de fallas o zonas de corte (Figura 3).
La intersección de los pilares por fallas geológicas o zonas de corte es otro aspecto a considerar. Como ejemplo ilustrativo se presentan los dibujos (A), (B) y (C), de tres casos de intersecciones en pilares largos o de costilla.

En el caso del dibujo (A), el pilar y la falla tienen rumbos más o menos paralelos, pero la falla tiene alto buzamiento, por lo que no llega a interceptar al pilar de pared a pared. Este modo de intersección da las condiciones más estables al pilar.

En el caso del dibujo (B), también el pilar y la falla tienen rumbos más o menos paralelos, pero en este caso por el menor buzamiento de la falla, ésta intercepta al pilar de pared a pared. En este caso habrá un debilitamiento del pilar y hasta podría ocurrir el deslizamiento a través de la falla. Para una completa estabilidad se tendría que hacer un pilar de mayor ancho, para mantener a la falla dentro del pilar.

En el caso del dibujo (C), el pilar es interceptado por la falla transversalmente y longitudinalmente. En este caso la estabilidad del pilar disminuirá significativamente, a causa de que los planos de la cuña tienen libertad para moverse horizontal y verticalmente. El incremento del ancho del pilar no mejoraría las condiciones de estabilidad, pero sí la disminución de la altura del pilar, aunque esto significaría una reducción de la recuperación del mineral. En el caso del minado por cámaras y pilares, el esquema de pilares puede ser planeado para soportar los techos fallados, muy particularmente los pilares deberán ubicarse en las áreas de intersección de las fallas. Este esquema de pilares es útil para controlar mejor las condiciones de estabilidad de las excavaciones.

Otro aspecto importante a considerar en el caso de vetas o cuerpos mineralizados inclinados, es la forma y orientación de pilares.
Los pilares de rumbo, en particular los pilares largos, son inherentemente inestables y deben ser evitados, ellos sufren una falla progresiva rápida, aún cuando están reforzados con pernos de roca cementados o cables. Una forma de estabilizar lo pilares de rumbo, es agrandando su ancho o inclinando las paredes.

Los pilares largos de buzamiento son más atractivos desde el punto de vista de la estabilidad, que los pilares largos de rumbo.
La resistencia de los pilares aumenta con el confinamiento del relleno, por lo que es recomendable su uso. Cuando se van a recuperar pilares, dependiendo de la altura del pilar, el relleno deberá ser cementado para asegurar la estabilidad de las paredes del mismo.

También es muy importante para la estabilidad de los pilares y de las cámaras, que los pilares tengan una adecuada cimentación, es decir, el pilar debe estar apoyado en la masa rocosa in-situ. Para mantener adecuadas condiciones de cimentación, el pilar debe tener continuidad vertical a medida que vayan avanzando los cortes ascendentes de mineral, de lo contrario, si el pilar no tuviera una buena base o cimentación, habría problemas de inestabilidad tanto del pilar como de las cámaras, creando situaciones de peligro durante el minado.

A medida que se ejecutan las excavaciones, los esfuerzos continuamente se reacomodan entre sí y cuánto más se acerquen las excavaciones, los esfuerzos pueden empezar a interactuar con los esfuerzos de campo. Este compuesto o traslape de esfuerzos puede resultar en la falla de los pilares, por este motivo es importante un adecuado diseño de éstos.
Los diferentes principios señalados también son aplicables a los pilares de corona, utilizados mayormente en el método de corte y relleno, en los cuales es importante la altura de los mismos para tener condiciones adecuadas de estabilidad. Si los pilares no están adecuadamente dimensionados habrá peligro de caída de rocas.

El caso de excavaciones adyacentes

Las labores de preparación son ejecutadas antes de minar los tajeos. Principalmente en estas labores y también en algunas labores permanentes cercanas a los tajeos, que inicialmente se encuentran estables, el relajamiento o la concentración de los esfuerzos en la periferia de la excavación, puede llevar al colapso de las cuñas y bloques, generando peligro de caída de rocas.

La relajación o concentración de esfuerzos puede ocurrir por efecto del minado en tajeos o excavaciones adyacentes, por los efectos de la voladura y por la acción del tiempo. En general, cualquier actividad de minado, perturbará el estado inicial de entrelazamiento de las superficies de las diaclasas y reducirá la capacidad de la masa rocosa para soportar sus bloques rocosos de la periferia. Cuánto más grande sea una excavación, su efecto sobre las excavaciones vecinas será mayor.

Artículo publicado en Seguridad Minera Nº58.