Técnicas de minería subterránea para un trabajo seguro y rentable

En las minas subterráneas la elección del método de explotación depende de la forma y el tamaño del filón, el valor de los minerales contenidos, la composición, estabilidad y fuerza del estrato rocoso, así como de la demanda de producción y las condiciones de seguridad del trabajo (aspectos que a veces son casi incompatibles).

Aunque las técnicas de minería han avanzado con el paso del tiempo, el presente artículo se centra en las utilizadas en las minas total o parcialmente mecanizadas de finales del siglo XX. A pesar de que cada mina es diferente, en todas se intenta conseguir un entorno de trabajo seguro y un funcionamiento rentable.

Filones planos con cámaras y pilares
Este sistema se aplica a la extracción en suelo horizontal o ligeramente inclinado sin exceder los 20° (véase la Fig. 1). Los filones suelen ser de tipo sedimentario y la roca es resistente tanto para el techo como para la explotación (concepto relativo ya que los mineros tienen la opción de instalar anclajes de roca para reforzar el techo cuando su estabilidad es dudosa). El sistema de pilares es uno de los métodos más utilizados en las minas de carbón subterráneas.

Con esta técnica, el mineral se extrae perforando horizontalmente y avanzando a lo largo de un frente de explotación múltiple dejando espacios vacíos o cámaras detrás de él.

Los pilares (secciones de roca) se van dejando entre las cámaras para evitar el hundimiento del techo. El resultado suele ser un diseño regular de cámaras y pilares con un tamaño que depende de la estabilidad del estrato rocoso, pero con el objetivo de extraer la mayor cantidad posible de mineral.

Para tal fin, es necesario un cuidadoso análisis previo de factores, como la resistencia de los pilares o la resistencia de los estratos del techo. Los anclajes en la roca se utilizan habitualmente para aumentar la resistencia de la roca en los pilares. Las cámaras entre pilares sirven de paso para los camiones que transportan el mineral al almacén de la mina.

El frente en este tipo de minas se perfora como en el caso de las galerías. El ancho y alto del tajo dependen del tamaño de la galería, que puede ser bastante grande. En las minas de altura normal se utilizan grandes trenes perforadores y máquinas compactas cuando el mineral presenta un grosor inferior a 3,0 m.

El yacimiento se va explotando gradualmente desde la parte superior, lo que permite asegurar el techo a una altura adecuada para los mineros. Las secciones inferiores se extraen en estratos horizontales perforando barrenos planos y realizando la voladura contra el espacio superior. El mineral se carga en camiones en el frente. Normalmente, se utilizan retroexcavadoras y volquetes convencionales. En las minas de poca altura se utilizan camiones y vehículos CLV especiales.

El sistema de pilares resulta muy eficaz. La seguridad depende de la altura de las cámaras y de las normas de control de suelos. Los principales riesgos son los accidentes causados por hundimiento de rocas y equipos en movimiento.

Filones inclinados con pilares
Esta técnica se aplica a la extracción en suelo liso con una inclinación comprendida entre 15° y 30° sobre el plano horizontal. Se trata de una inclinación excesiva para los vehículos con neumáticos e insuficiente para la caída de la roca por la fuerza de gravedad.

El enfoque tradicional del yacimiento inclinado se basa en el trabajo manual. Los mineros realizan perforaciones en el frente con máquinas sostenidas por ellos mismos. El frente se limpia con palas de arrastre. El trabajo en el frente inclinado es difícil. Los mineros deben trepar por encima de montones de rocas arrancadas cargando con las perforadoras, las poleas y los cables de acero. A los riesgos de caída de rocas y de accidentes, hay que añadir los debidos al ruido, polvo, ventilación inadecuada y calor.

Cuando es posible introducir la mecanización en los filones inclinados de mineral, se utiliza la técnica de la “extracción en escalón”, convirtiendo la galería de “fuerte inclinación” en una “escalera” de peldaños con ángulo adecuado para que puedan subir las máquinas sin raíl. Los peldaños se moldean en forma de diamante con tajos y vías de carga con el ángulo elegido para todo el yacimiento.

La extracción del mineral se inicia con perforaciones horizontales a partir de una galería combinada de acceso y carga. El tajo inicial es horizontal en la dirección del techo. El siguiente tajo comienza a pequeña distancia del anterior y en la misma dirección. Este procedimiento se repite desplazándose hacia abajo para crear una serie de peldaños y poder extraer el mineral.

Para soportar el techo se mantienen secciones de explotación. Esta operación se realiza perforando dos o tres barrenos adyacentes en toda su longitud y comenzando el siguiente un paso más abajo, dejando un pilar alargado entre ellos. Las secciones de estos pilares pueden recuperarse posteriormente perforando y barrenando desde el tajo inferior.

Los modernos equipos sin raíles se adaptan bien a este tipo de minería. La extracción puede mecanizarse totalmente utilizando equipos móviles estándar. El mineral extraído es recogido en el tajo por vehículos CLV que lo trasladan a camiones para su transporte al pozo. Si el tajo no tiene altura suficiente para cargar el mineral en camiones, puede cargarse en espacios especialmente excavados en la vía de acarreo.

Explotación por franjas-almacenes
La explotación por franjas-almacenes puede considerarse el método “clásico” de minería y fue muy utilizado el siglo pasado. Actualmente, esta técnica ha sido sustituida en gran medida por métodos mecanizados, aunque todavía se sigue utilizando en muchas minas pequeñas de todo el mundo.

Se aplica a filones con límites regulares y fuerte inclinación situados dentro de un estrato rocoso resistente. También el mineral extraído debe resistir el almacenamiento en las laderas (por ejemplo, los minerales con sulfuros tienden a oxidarse y descomponerse en contacto con el aire).

Su principal característica es el uso de la fuerza de gravedad para el tratamiento del mineral: el mineral extraído del tajo cae directamente a vagonetas a través de canaletas, evitando la carga manual, tarea más común y menos agradable de las minas.

La extracción del mineral se realiza en planchas horizontales, comenzando por la base del tajo y avanzando hacia arriba. La mayor parte de la roca barrenada permanece en el tajo formando una plataforma de trabajo que permite al minero perforar los barrenos en el techo y asegurar los muros del tajo. Cuando la roca barrenada aumenta en un 60 %, se retira el 40 % del mineral en la base para mantener un espacio de trabajo libre entre la parte superior del escombro y el techo. El mineral restante se retira cuando la voladura alcanza el límite superior del tajo.

Al trabajar encima del montón de escombros y desde el acceso a la escalera, resulta imposible utilizar equipos mecanizados. Sólo son útiles los equipos ligeros que pueda utilizar el propio minero. La perforadora neumática, de unos 45 kg de peso, es la herramienta habitual utilizada en este tipo de tajos. El minero, situado sobre la parte superior del montón de escombros, coloca la broca de acero de la perforadora contra el techo y comienza a trabajar. No es un trabajo fácil.

Sistema de corte y relleno
El sistema de cortar y llenar está indicado para filones de gran inclinación dentro de un estrato rocoso de estabilidad buena o media. El mineral se extrae en planchas horizontales comenzando desde un corte en la base y avanzando hacia arriba, dejando que los límites del tajo se ajusten a la explotación irregular. Así, se pueden extraer de forma selectiva secciones ricas y dejar intactas las de menor calidad.

Una vez que se ha desescombrado el tajo, el espacio limpio se vuelve a rellenar para formar una plataforma de trabajo que permita extraer la siguiente plancha y mejorar la estabilidad de los muros del tajo.

Este tipo de explotación en un entorno de trabajo sin equipos de raíles comprende una galería de acarreo a lo largo del yacimiento en el nivel principal, una roza en el tajo con desagües para el rellenado hidráulico, una rampa en espiral excavada en el suelo con salidas de acceso al tajo y un pozo desde el tajo hasta el nivel superior para la ventilación y el transporte del relleno.

El rebaje de cabeza se utiliza en el sistema de corte y relleno con roca seca y arena hidráulica como material de relleno. En este sistema, el tajo se perfora desde abajo barrenando una plancha de 3,0 m a 4,0 m de grosor. Así, se extrae toda el área de explotación y se barrena todo el tajo sin interrupción. Los barrenos “superiores” se perforan con simples perforadoras de vagoneta.

Este sistema deja una superficie de roca basta en el techo; después del desescombro, su altura puede ser de unos 7,0 m. Antes de que los mineros puedan entrar en esa zona, hay que asegurar el techo alisándolo con un barrenado suave y eliminando las rocas sueltas. Esta operación la realizan los mineros con equipos manuales y trabajando desde el montón de escombros.

En el sistema frontal, se utilizan equipos sin raíles para la extracción del mineral. Para rellenar se emplean relaves de arena que se distribuyen en los tajos subterráneos a través de conducciones de plástico. Los tajos se rellenan casi en su totalidad, lo que crea una superficie suficientemente dura para ser atravesada por equipos con neumáticos.

La explotación en los tajos está totalmente mecanizada con trenes y vehículos CLV. El frente es un muro vertical de 5,0 m a lo largo del tajo con una abertura de 0,5 m por debajo de él. Se perforan en el frente barrenos horizontales de cinco metros de longitud y se barrena el mineral contra la abertura inferior.

El volumen producido en una voladura depende del área frontal y no es comparable al que se consigue con el sistema anterior de rebaje de cabeza. Sin embargo, la producción del equipo sin raíl es muy superior al método manual y el control del techo puede realizarse con el tren perforador, que realiza un barrenado ligero junto con la voladura del tajo. El vehículo CLV, equipado con un inmenso cangilón de carga y grandes ruedas, es una herramienta versátil para el desescombro y el acarreo y se desplaza con facilidad por la superficie de relleno.

En un tajo de doble frente, el tren perforador trabaja el lateral mientras el CLV en el montón de escombros del otro extremo, haciendo uso eficiente del equipo y mejorando el rendimiento.

En el sistema por subniveles se extrae el mineral en tajos abiertos. El relleno del tajo con un material consolidado después de la extracción permite a los mineros volver posteriormente a recuperar los pilares entre los tajos, obteniéndose una tasa de recuperación muy alta del filón.

El desarrollo del sistema por subniveles es complejo. El yacimiento se divide en secciones de una altura vertical de unos 100 m en la que se preparan subniveles conectados a través de una rampa inclinada. Las secciones del yacimiento se dividen a su vez lateralmente en tajos y pilares y se crea una galería de arrastre en el suelo con salidas para la carga en puntos de vaciado.

Una vez arrancado el mineral, el tajo por subniveles será una abertura rectangular a lo largo del yacimiento. La base del tajo es un embudo en forma de V que permite enviar el material barrenado a los puntos de vaciado. Las galerías de perforación para los equipos de pozos profundos se preparan en los subniveles superiores. (Véase Figura 2).

El barrenado necesita espacio para que la roca se expanda en volumen, por eso es necesario preparar una abertura antes de iniciar la voladura de pozos profundos. Esto se consigue aumentando el tamaño de un coladero de abajo a arriba hasta obtener la abertura completa.

Una vez realizada esta operación, el equipo de pozos profundos (véase la Foto 1) comienza la extracción en galerías por subniveles siguiendo con precisión un plan diseñado por expertos en voladuras especificando la posición de los barrenos, la posición del laminado circular, la profundidad y la dirección de los barrenos. El equipo de perforación continúa hasta finalizar todos los círculos de un nivel.

A continuación, se desplaza al siguiente subnivel para continuar la perforación. Entretanto, los barrenos se cargan y un sistema de voladura que cubre un área extensa dentro del tajo hace saltar un gran volumen de mineral de una sola vez. El mineral barrenado cae al fondo del tajo y es recuperado por vehículos CLV que están desescombrando en el punto de vaciado por debajo del tajo.

Normalmente, la perforación de pozos profundos precede a la carga y la voladura, lo que proporciona una reserva de mineral listo para barrenar y permite una explotación efectiva.

El sistema por subniveles es un método de extracción productivo. La eficiencia se mejora utilizando para la perforación de pozos profundos equipos totalmente mecanizados y de funcionamiento continuo. Esta técnica resulta además relativamente segura, pues al realizar la operación de perforación dentro de galerías de subnivel y la de desescombro a través de puntos de vaciado se elimina el riesgo potencial de desprendimiento de rocas.

Sistema de retirada mediante cráteres verticales
Al igual que el sistema por subniveles y el de franjas-almacenes, el sistema de retirada mediante cráteres verticales (RCV) se aplica a la extracción en estratos de gran inclinación aunque utilizando una técnica de voladura diferente: la roca se rompe con cargas pesadas concentradas en barrenos (“cráteres”) de gran diámetro (unos 165 mm) a una distancia de 3 m de la superficie rocosa libre. La voladura rompe una abertura en forma de cono en el estrato rocoso alrededor del barreno y permite que el material barrenado permanezca en el tajo durante la fase de explotación, de forma que el relleno de roca ayuda a soportar los muros del tajo. En este caso, el requisito de estabilidad de la roca es menor que en el sistema por subniveles.

El desarrollo del sistema RCV es similar al de subniveles salvo que se requieren excavaciones superiores e inferiores. La talla superior es necesaria en la primera fase para instalar el equipo de perforación de los barrenos de gran diámetro y para acceder mientras se cargan los barrenos. La talla inferior proporciona la superficie libre necesaria para la voladura RCV. También permite el acceso a un vehículo CLV (manejado por control remoto por un operario que permanece fuera del tajo) para cargar el mineral barrenado en los puntos de vaciado bajo el tajo.

En la voladura RCV normal se utilizan barrenos en patrón de 4,0 m × 4,0 m dirigido en sentido vertical o inclinado con las cargas cuidadosamente situadas a distancias calculadas para liberar la superficie inferior.

Las cargas permiten romper una abertura horizontal en la roca de unos 3,0 m de grosor. La roca barrenada cae al tajo inferior. Controlando la velocidad de desescombro, se mantiene el tajo parcialmente lleno de forma que el relleno de roca ayuda a estabilizar los muros durante la fase de explotación. La última voladura rompe la talla superior, que cae al tajo; después, se desescombra el tajo y se prepara para el relleno.

El sistema RCV utiliza a menudo un sistema de tajos primarios y secundarios en el yacimiento. Los primarios se extraen en la primera fase, se rellenan con material cementado y se dejan compactar.

A continuación, los mineros recuperan el mineral de los pilares entre tajos primarios y de los tajos secundarios. Este sistema, junto con el relleno cementado, permite obtener casi el 100 % de la reserva de mineral.

Sistema de hundimiento de subniveles
El sistema de hundimiento de subniveles se aplica a filones con una inclinación importante o moderada y una gran profundidad. El mineral se fractura en bloques manejables mediante voladura. El techo se hunde al extraer el mineral y el suelo en la superficie del yacimiento también lo hace (debe acordonarse la zona para evitar el acceso de personal a esta área).

El hundimiento de subniveles está basado en la fuerza de la gravedad dentro de un estrato rocoso fracturado que contiene mineral y roca. El estrato rocoso se fractura mediante perforación y voladura y, a continuación, se desescombra a través de galerías por debajo del estrato rocoso hundido. Es un método seguro, porque los mineros siempre trabajan en el interior de aberturas del tamaño de una galería.

En este sistema, se abren subniveles con galerías de forma regular preparadas dentro del yacimiento con una separación vertical bastante pequeña (entre 10,0 m y 20,0 m).

El diseño de la galería es el mismo en todos los subniveles (es decir, galerías paralelas a través del yacimiento desde la galería de transporte de base hasta la de techo) pero ligeramente desplazadas en cada subnivel con respecto al anterior de forma que las galerías del nivel inferior están situadas entre las galerías del subnivel superior.

Una sección transversal de las mismas mostraría un esquema en diamante con galerías verticales y horizontales espaciadas de forma regular, lo que da idea de la complejidad del sistema de hundimiento de subniveles.

Sin embargo, la excavación de galerías es una tarea fácilmente mecanizable. La posibilidad de trabajar en frentes múltiples a diferentes subniveles favorece una elevada tasa de utilización de los equipos.

Cuando se ha completado el trazado de un subnivel, el equipo de perforación de pozos profundos pasa a perforar barrenos en forma de abanico en la roca superior. Cuando todos los barrenos están listos, el equipo se desplaza al subnivel inferior.

La voladura de pozos profundos fractura el estrato rocoso por encima de la galería del subnivel, iniciando un hundimiento que Atlas Copco comienza en contacto con el techo y va retrocediendo hacia el suelo siguiendo un frente recto a través del yacimiento en el subnivel.

Una sección vertical mostraría una escalera en donde cada subnivel superior se encuentra avanzado respecto al subnivel inferior. La voladura rellena el frente del subnivel con una mezcla de mineral y desechos. Cuando llega el vehículo CLV, el hundimiento contiene un 100 % de mineral.

A medida que avanza la carga, la proporción de roca residual irá aumentando gradualmente hasta que el operario decida que la dilución es excesiva y detenga la carga. Cuando el vehículo se desplaza a la siguiente galería para continuar el desescombro, el técnico en voladuras prepara el siguiente círculo de barrenos.

El trabajo de desescombro en los subniveles es una aplicación ideal para el vehículo CLV. Este vehículo, disponible en diferentes tamaños, rellena el cangilón, se desplaza unos 200 m, vacía el cangilón en el rumbadero y vuelve por otra carga.

El sistema de hundimiento de subniveles consta de tareas repetitivas (excavación de galerías, perforación de pozos profundos, barrenado y voladura, carga y transporte) que se realizan de forma independiente.

Así, el personal y los equipos pueden trasladarse de un subnivel a otro, lo que permite un uso eficiente de los mismos. Realmente, la mina es como una fábrica con departamentos.

Sin embargo, el sistema de subniveles es menos selectivo que otros métodos y no proporciona unas tasas de extracción especialmente eficientes. El hundimiento genera un 20-40 % de residuos y una pérdida de mineral entre el 15 % y el 25 %.

Sistema de hundimiento en bloque
Este sistema es aplicable a explotaciones del orden de 100 millones de toneladas distribuidas en todas las direcciones del estrato rocoso con posibilidad de hundimiento (por ejemplo, con tensiones internas que, al extraer los elementos de soporte del estrato rocoso, ayudan a fragmentar el bloque barrenado).

El rendimiento anual previsto tiene que situarse entre 10 y 30 millones de toneladas. Estos requisitos hacen que el sistema de hundimiento en bloque sólo pueda aplicarse en algunos filones específicos. Se utiliza en todo el mundo en minas de cobre, hierro, molibdeno y diamantes.

El término bloque se refiere al diseño de la mina. El yacimiento se divide en grandes secciones o bloques con un tonelaje suficiente para muchos años de explotación. El hundimiento se induce eliminando el soporte del estrato rocoso directamente debajo del bloque mediante la realización de un corte, una sección de roca de 15 m de alto fracturada mediante perforación de pozos profundos y voladura.

Las tensiones creadas por fuerzas tectónicas naturales de considerable magnitud, similares a las que provocan los movimientos continentales, agrietan el estrato rocoso y fracturan los bloques en trozos de un tamaño que les permite pasar por las aberturas de los puntos de vaciado en la mina. A veces, sin embargo, es necesaria la ayuda de los mineros para manejar bloques demasiado grandes.

El sistema de hundimiento de bloques requiere una gran planificación y un trazado inicial detallado, que incluye un complejo sistema de excavaciones bajo el bloque. Aunque éstas pueden variar según el lugar, por lo general incluyen rozas, aberturas cónicas, cribones para separar las rocas de tamaño excesivo y rumbaderos que envían el mineral al vagón de carga.

Las aberturas cónicas excavadas por debajo de una roza recogen el mineral de un área mayor y lo envían a un punto de vaciado en el nivel de explotación inferior. Allí, el mineral es recogido en vehículos CLV y trasladado a rumbaderos.

Los bloques que no caben en el cangilón se barrenan en puntos de vaciado, mientras que los más pequeños son tratados en el cribón. Los cribones, conjunto de barras de hierro paralelas para clasificar las rocas, se utilizan por lo general en minas de hundimiento de bloques aunque para esta tarea cada vez se emplean más los equipos hidráulicos.

Las brechas en una mina de hundimiento de bloques están sometidas a una elevada presión por la roca, de modo que las galerías y demás aberturas se excavan con la sección mínima posible. Es necesario realizar un cuidadoso anclaje de las rocas y un recubrimiento con hormigón para mantener las aberturas en buen estado.

Adecuadamente aplicado, el sistema de hundimiento de bloques es un método de minería barato y rentable. Sin embargo, no siempre se puede prever la capacidad de hundimiento de un estrato rocoso.

Además, el extenso trazado necesario requiere una larga fase previa antes de comenzar la explotación de la mina, y el retraso en la entrada de ingresos puede influir negativamente en las previsiones económicas que sirvan para justificar la inversión.

Sistema por tajos largos
El sistema por tajos largos se aplica a filones de forma uniforme, grosor limitado y extensión horizontal amplia (por ejemplo, vetas de carbón, capa de potasa o estrato de material de cuarzo explotado en las minas de oro de Sudáfrica) y es uno de los principales métodos utilizados en las minas de carbón.

Con este sistema, se extrae el mineral en láminas a lo largo de una línea que se repite para extraer el material en un área más extensa.

El espacio más cercano al frente se mantiene abierto mientras que el techo se deja hundir a una distancia segura detrás de los mineros y de su equipo.

El sistema de tajos largos incluye la realización de una red de galerías para acceder al área de explotación y para acarrear el producto extraído hasta el pozo.

Dado que la explotación se realiza en forma de una plancha que se extiende a lo largo de una extensión amplia, normalmente pueden diseñarse las galerías en forma de red. Las galerías de arrastre se realizan en la propia veta de carbón. La distancia entre dos galerías de arrastre adyacentes determina la longitud del frente por tajos largos.

Relleno
El relleno de los tajos impide que la roca se hunda, manteniendo la estabilidad del estrato rocoso y permitiendo una extracción más completa del mineral. Tradicionalmente, el relleno se ha utilizado en operaciones de corte y relleno pero también se utiliza en los sistemas de subniveles y RCV.

Por norma general, los mineros vuelcan los residuos de roca en tajos vacíos en lugar de llevarlos a la superficie. Así, por ejemplo, en las minas de corte y relleno la roca residual es distribuida por el tajo vacío con palas de carga o aplanadoras.

En el sistema de relleno hidráulico se utilizan relaves de la instalación de preparación mecánica de la mina que se distribuyen en el subsuelo a través de barrenos y tubos de plástico.

Los relaves primero se desenlodan y sólo se utiliza la fracción gruesa para el relleno. El relleno es una mezcla de arena y agua, con aproximadamente un 65 % de materia sólida. Al mezclar el cemento en el último vertido, la superficie del relleno se endurece formando un lecho firme para los equipos de ruedas neumáticas.

El relleno también se utiliza en los sistemas de subniveles y RCV, en donde se introduce roca machacada como complemento al relleno de arena. La roca machacada y cribada, obtenida de una cantera cercana, se envía al subsuelo a través de pozos especiales de relleno, donde es cargada en camiones y transportada al tajo, para ser volcada en pozos de relleno especiales.

Los tajos primarios se rellenan con roca cementada que se obtiene vaporizando sobre el relleno una mezcla de polvo de cenizas y cemento antes de distribuirlo a los tajos.

Este relleno se endurece formando un pilar artificial para explotar el tajo secundario. Por lo general, no es necesaria la mezcla de cemento cuando se rellenan los tajos secundarios, salvo en los últimos vertidos para obtener un suelo de desescombro firme.

Artículo publicado en la revista Seguridad Minera N° 97.