Minado a cielo abierto: método de extracción mecánica

En el minado a cielo abierto, cualquier material sobreyacente es descapotado y transportado hacia el vaciadero para que el depósito mineral quede descubierto. Ambos, descapote y minado son conducidos en una secuencia de bancos.

Un depósito de minerales metálicos de magnitud considerable requiere de muchos bancos, para después asemejarse a una pirámide circular invertida en la tierra; cada banco sucesivo es cortado a un radio más pequeño, impuesto por el ángulo de talud para las consideraciones de seguridad (Foto 1). Un banco sencillo es suficiente, si el depósito y el capote son relativamente delgados (50-150 ft ó 15-45 m), como se muestra en el esquema de una mina de carbón o no metálica (Foto 2).

 Al tener bancos múltiples para el minado, se asegura suficiente longitud de cara expuesta para no permitir interrupciones en la producción. Después que el avance del descapote muestra el depósito, existe una coordinación entre el minado y el descapote, de tal manera que los ingresos por mineral reembolsarán los costos de remoción del material estéril, mientras se alcanza al mismo tiempo los objetivos a largo plazo con respecto a los límites del tajo.

Los bancos individuales son diseñados para acomodar el equipo de manejo de materiales utilizado. La altura de los bancos es limitada por el alcance de la excavadora; una pala puede cortar un banco más alto que un cargador frontal o la excavadora hidráulica.

El ancho debe ser suficiente para contener gran parte de la roca en vuelo de la voladura de un banco y proveer suficiente espacio de maniobrabilidad para la excavadora y las unidades de acarreo. En el capítulo 4 del libro “Open Pit Mine Planning & Design” se describe en detalle las consideraciones geométricas de los bancos de producción y taludes del tajo, tomando en cuenta el tipo de maquinaria.

El talud es la máxima preocupación en mecánica de suelos y de roca. La práctica común es la siguiente, asumiendo roca consolidada (Pfleider, 1973a). (Véase la Tabla 1: Dimensiones del banco)

El minado a cielo abierto es un método a largo plazo en términos de porcentaje de producción, responsable del 60% de toda la extracción de superficie. Esto permite utilizar equipos de producción altamente mecanizado (Martín et al., 1982).

Secuencia de desarrollo
El minado a cielo abierto por su naturaleza implica el acarreo hacia fuera del tajo de cantidades moderadas a grandes de ganga y mineral con distancias relativamente largas e inclinaciones muy empinadas.

Estos requerimientos afectan el diseño del tajo, la selección del equipo y la razón de producción requerida. Al ser normalmente baja la ley del mineral, la producción del equipo debe ser alta y las relaciones de descapote deben mantenerse a niveles moderados (normalmente 1-5 yd3/tc ó 0.8-4 m3/t). Por lo anterior, los límites inferiores (profundidad) de los tajos son relativamente moderados (generalmente <1000ft, o <300 m) (Crawford y Hustrulid, 1979; Atkinson, 1983).

Los principales pasos en el desarrollo, son los siguientes: Después del denuncio y cambio de uso de suelo, se ubica y construye la planta de superficie. Algo particularmente importante en el desarrollo de una mina a cielo abierto, es la ubicación de los terrenos, el aprovechamiento de la superficie y pilas de lixiviación.

Las instalaciones de almacenaje, procesamiento y transporte se ubican en las proximidades del diseño propuesto del tajo final, pero con razonable acceso hacia el exterior. Se selecciona el equipo y se adquiere a medida que sea necesario.

Entonces comienza el avance del descapote en la capa superior para iniciar la explotación y proceder con el programa, así el descapote y minado continúan de manera conjunta, manteniendo los planes de minado a corto y largo plazo.

A pesar del alto grado de mecanización y movilidad requerida, el diseño y mantenimiento de los caminos de acarreo es particularmente importante en los tajos, proporcionando acceso a bancos de producción, instalaciones de manejo de mineral, terrenos y áreas de servicio.

El establecimiento del primer banco y cada banco subsecuente de mineral es una operación crítica. La entrada inicial se conoce como la apertura de banco. Se trata de un prisma de roca en forma de cuña, que debe ser removido para establecer una nueva cara de banco.

Los barrenos son ubicados en filas paralelas, en orden descendente de profundidad, así cuando son detonados se puede formar una rampa con inclinación adecuada, del banco mayor al menor. El consumo de explosivos es mayor que el normal, ya que solo existe una cara libre (Konya, 1990, Konya y Albarrán, 1998); el manejo de materiales es obstruido por la inclinación y limitada maniobrabilidad.

Ciclo de Operaciones
Vamos a examinar por separado la producción y operaciones auxiliares, ciclos de descapote y minado.

Descapote
Se aplica para remover la capa superior estéril del depósito mineral y remover ganga dentro de los límites del tajo. La naturaleza del capote o estéril, determinan el ciclo de operación: si es material no consolidado (suelo ó roca quebrada) el rompimiento no es requerido; si es consolidado (roca in situ), se requiere rompimiento.

Entonces el equipo de manejo de materiales es seleccionado para satisfacer las condiciones de operación, asumiendo que el tepetate debe ser transportado a cierta distancia para su vaciado y no puede tirarse en el tajo o en un banco adyacente de roca estéril. (Atkinson 1983; Saxos, 1984a; Anon, 1985e). El ciclo de operaciones de descapote y el equipo comúnmente utilizado consiste en lo siguiente:

• Burrenación: perforadora (roca débil), sistema rotativo (roca promedio), sistema percusivo (roca muy dura).
• Voladura: anfo o emulsión (alternativa: rasgado-ripeado, si es suelo o roca débil), cargado con máquina (cierto volumen) y a mano (bolsas); encendido eléctrico o cordón detonante.
• Excavación: pala mecánica, cargador frontal, dozer, escrepa (suelo), draga, cucharón (suelo).
• Acarreo: camión, banda transportadora, dozer, escrepa (suelo).

Minado de mineral, carbón y roca
En una mina a cielo abierto, el descapote, minado y el ciclo de operaciones pueden tener con frecuencia cierto parecido, esto lo determina la diferencia o similitud del mineral y el tepetate.

Si estos métodos tienen semejanza, entonces el operador de mina tiene ventaja para emplear el mismo equipo y el mismo ciclo. La razón de esto, es que el equipo puede ser intercambiado cuando surjan desarreglos o demanda inesperada de producción. El ciclo de operaciones de minado y equipo, usualmente consiste en lo siguiente:

• Perforación: sistema rotativo (roca promedio), sistema percusivo (roca dura), jet piercing (roca dura silicosa).
• Voladura: anfo o emulsión (alternativa: ripeado; si es carbón o roca débil); el cargado y encendido son similares al descapote.
• Excavación: pala, cargador frontal, draga, escrepa (arcilla).
• Acarreo: camión, banda transportadora, riel.
• Extracción (tajos muy inclinados): banda transportadora de alta inclinación, extracción por botes de manteo, transportador hidráulico.

Operaciones auxiliares
Las operaciones aquí son muy similares, sea el descapote del manto o el minado del mineral; durante la etapa de explotación usualmente consisten en lo siguiente:

1. Seguridad y salud: control de polvo (bancos de producción, caminos de acarreo, vaciaderos), disminución de ruidos, prevención de combustión espontánea (sí es carbón sub-bituminoso o lignito).
2. Control ambiental: protección del aire y agua, manejo de desperdicios sólidos.
3. Control del suelo: estabilidad del talud (suelo o roca), control de la erosión (suelo).
4. Abastecimiento y distribución de energía: subestación eléctrica.
5. Control de agua e inundación: bombeo y drenaje.
6. Disposición de desechos: almacenaje y vaciado.
7. Abastecimiento de material: almacenaje, entrega de abastos.
8. Mantenimiento y reparación: surtido de herramientas.
9. Iluminación: reflectores portátiles (para operación nocturna).
10. Comunicación: radio, teléfono (asistido por computadora).
11. Construcción: caminos de acarreo.
12. Transporte de personal: camiones, autobuses.

Condiciones
Las condiciones geológicas, geométricas y naturales asociadas con el minado a cielo abierto, son las siguientes (Pfleider, 1968, 1973a; Anon, 1979c; Crawford y Hustrulid, 1979 y 1995):

1. Resistencia del mineral: cualquiera.
2. Resistencia de la roca: cualquiera.
3. Forma del depósito: cualquiera, preferible lenticular o tabular.
4. Echado del depósito: cualquiera, preferible horizontal o echado bajo.
5. Tamaño del depósito: grande, profundo.
6. Ley del mineral: puede ser muy baja.
7. Uniformidad del mineral: uniforme o variable hacia el horizonte.
8. Profundidad: poco profundo a intermedio (límite tecnológico del equipo, límite económico de la relación de descapote).

Características del Minado
Se entienden mejor como ventajas y desventajas (Pfleider, 1968, 1973a; Crawford y Hustrulid, 1979; Martin et al., 1982).

Ventajas
1. Alta productividad, característico de los métodos masivos, que son altamente mecanizados (como promedio en el minado de cobre y fierro se tienen de 100 a 400 tc ó 90 a 360 tc por empleado por tumo incluyendo mineral y tepetate, Hartman, 1987).
2. Bajos costos (junto con el minado por capas) dentro de los métodos más usados, que reflejan alta productividad (costo relativo del 10%).
3. Alta relación de producción (esencialmente ilimitado, aunque también es posible para minas superficiales pequeñas).
4. Producción rápida, el desarrollo puede ser programado para permitir el arranque inicial de producción.
5. Bajos requerimientos de trabajo; puede ser personal con poca experiencia, excepto los operadores clave (perforadora, pala o cargador).
6. Relativamente flexible, puede variar la producción, sí cambia la demanda.
7. Confiable para equipo grande; permite alta productividad.
8. Costos muy bajos de rompimiento de roca, en comparación con el minado subterráneo, donde las caras del banco tienen menos facilidad de mantenimiento.
9. Desarrollo y accesos sencillo, aberturas mínimas requeridas, aunque el avance del descapote sea considerable.
10. Se requiere poco soporte de bancos, si acaso alguno lo requiere. El diseño conveniente y mantenimiento de los bancos pueden proveer estabilidad.
11. Buena recuperación (aproximadamente 100%, excepto en los límites del tajo); dilución de moderada a baja.
12. Seguridad y buena salud; sin riesgos y peligros que ofrece el minado subterráneo.

Desventajas
1. Método limitado por profundidad (<l000 ft, ó <300m), límite impuesto por la tecnología del equipo, el depósito más allá de los límites del tajo debe ser minado subterráneamente o dejado en su lugar.
2. Limitado por la relación de descapote (rango de 1-5 yd3/tc ó 0.8-4 m3/t); la economía impone los límites.
3. Alta inversión de capital asociada con equipo de gran escala.
4. Superficie dañada puede requerir restauración y un costo agregado al costo de producción.
5. Requiere depósito grande para obtener un costo menor, a menos que tenga muy alta ley.
6. Condiciones climáticas pueden minimizar las operaciones pero raramente las prohíbe.
7. Se debe mantener la estabilidad de taludes con un diseño conveniente y apropiado mantenimiento de los bancos y un buen drenaje.
8. Buena disposición para el tepetate y crear un área de tiraderos con ubicación conveniente.

Aplicaciones
El minado a cielo abierto es ampliamente utilizado para minerales como Aluminio, Bauxita, Cobre, Oro, Fierro, Uranio y casi todos los no metálicos.

Caso de estudio: mina de cobre
Biingham Canyon, Corporation Kennecott, Salt Lake City, Utah.

• Historia: abierta en 1906, primera mina de cobre superficial; excavación a cielo abierto más grande del mundo. Su mayor renovación fue en los ochentas.
• Mineral: calcopirita diseminada en pórfidos.
• Ley: 0.58%
• Producción: 100.000 tc/día (320,000 t /día) de Cu
• Relación total de descapote: 3.4 yd3/tc (2.9m3/t)
• Producto: (principal) 170,000 tc/año (155,000 t/año) de cobre, 14% de producción en U.S.; por subproducto Mo, Au, Ag y otros metales
• Productividad: 163 tc (148 t)/turno.

Variaciones
Dependiendo de los factores tecnológicos, geológicos y naturales, existen algunas posibles variaciones del minado a cielo abierto (Figura 1). La diferencia esta principalmente en el diseño y equipo del tajo; la Secuencia básica del desarrollo y ciclo de operaciones es muy similar.

Estimación del costo
Tomando en cuenta el primer método de minado, sabemos que es de gran utilidad aprender y aproximar procedimientos para la estimación de costos, que es aplicable para algunos métodos de explotación.

Nuestra aproximación se basa en ciertas relaciones empíricas que prevalecen en operaciones altamente mecanizadas de minado superficial, las cuales pueden ser modificadas para aplicarse también al minado subterráneo mecanizado. La terminología del costo, es la siguiente:

A = productividad promedio en tc (t)/empleado-turno.
B = relación estimada del costo de labor para costos de operación.
C = relación estimada del costo de propiedad a costos de operación.
SR0= relación total de descapote en tc/tc (t/t); convertir de yd3/tc a (m3/t).

Entonces:
Costo unitario de trabajo/fc (t) = CPTE por turno, incluyendo prestaciones/A      … (6.1)

donde CPTE es el costo promedio de trabajo estimado

Costo de operación/te (t) : costo unitario de trabajo por tc (t)/B              …(6.2)

Costo de explotación/tc (t) = costo de operación × (1 + C)                …(6.3)

Explotación directa + costo del descapote/tc (t) = costo de explotación × (1 + SRo)           …(6.4)

Ejemplo 6.1: Una gran mina a cielo abierto, en el distrito Grandes Lagos, produce taconita (mineral de fierro). La siguiente información sobre la mina, es conocida:

• Relación de descapote = 0.1 tc desperdicio/ tc mineral (0.9 t/t)
• Productividad (A) = 150 tc/turno (136 t)
• Relación de trabajo y costos de operación (B) = 0.5
• Relación de posesión y costos de operación (C) = 0.2
• Tarifa promedio de contrato por trabajo = $14.50/hr
• Beneficios laborales = 25%

Estimar el costo directo de explotación, incluyendo descapote.

Solución:
Utilice las ecuaciones 6.1, 6.2, 6.3 y 6.4

• Costo de trabajo = 1.25 (8) (14.50) = $ 145.00 turno-empleado
• Costo de trabajo unitario = costo de trabajo/A = 145/150 = $ 0.97 /tc ($ 1.07/t).
• Costo de operación = costo de trabajo unitario/B = 0.97/0.5 = $ 1.94/ tc ($ 2.14/t).
• Costo de explotación = costo de operación x (1 + C) = 1.94 (1 + 0.2) = $ 2.33/tc.
• Explotación directa + costo de descapote = costo de explotación x (1 + SRo) = 2.33 (1 + 1.0) = $ 4.66/tc ($ 5.14/t).

Para determinar el costo total de producción con el costo directo de explotación (incluyendo descapote), deben sumarse los costos de: (1) el costo indirecto de minado, (2) prospección, exploración y desarrollo previo al minado y (3) restauración, procesamiento de mineral, transportación, fundición y refinación después del minado. En este ejemplo los costos podrían aproximarse de esta manera. (Véase Tabla 2)

Note que la respuesta está calculada en base a $/tc ($/t) de mineral, no de producto refinado. Todos los costos intermedios deben ser calculados de igual manera.

Note también que antes que se calculen las utilidades, se deben estimar (1) gastos por regalías, impuestos y (2) reducciones y depreciaciones.

Artículo publicado en la revista Seguridad Minera N° 97.

Fuente: Introducción al Minado Superficial. Humberto León Vera.