FACULTAD DE INGENIERÍA

ESCUELA ACADÉMICO PROFESIONAL DE INGENIERÍA DE MINAS

INFORME ACADÉMICO

MÉTODOS DE EXPLOTACIÓN, PROCESOS DE PERFORACIÓN, VOLADURA, CARGUÍO Y MÉTODOS Y EQUIPOS DE PERFORACIÓN

Autor(es):

Carrasco Chanta Cesar AlbertoDe la Cruz Salazar Anderson Jhair Roncal Calderón Anderson Joel

Asesor:

Rosa Eliana Salazar Cabrejos

Chiclayo – Perú

2015

ÍNDICE

MINERÍA SUBTERRÁNEA

1. Análisis de los procesos de perforación, voladura y carguío…………………………..5

1.1 Perforación y Explosivos…………………………………………………………………………………….6

1.2 Combustible y Fuerza…………………………………………………………………………………………6

2. Métodos y equipos de perforación………………………………………………………………..7

2.1. Métodos de perforación de rocas…………………………………………………………..7

2.2. Equipos de perforación manual…………………………………………………………..…10

2.3. Accesorios de perforación en equipo mecanizados…………………………....…11

3. Principales métodos de explotación subterránea…………………………………..…...15

3.1 Cámaras y pilares……………………………………………………………………………..…..15

3.2. Tajeo por subniveles………………………………………………………………………...15

3.3. Cráteres invertidos…………………………………………………………...................15

3.4. Corte y relleno ascendente……………………………………………………………….16

3.5. Minado por almacenamiento Provisional…………………………………..…….16

3.6. Método de Entibación con cuadros…………………………………………………..16

3.7. Tajeos largos……………………………………………………………………………………..17

3.8. Hundimiento por subniveles……………………………………………………………..17

3.9. Hundimiento por bloques………………………………………………………………….17

4. Conclusiones……………………………………………………………………………………………………...18

5. Bibliografía……………………………………………………………………………………………………….…19

6. Anexos……………………………………………………………………………………………………………..…20

INTRODUCCIÓN

En este tema analizaremos y aprenderemos como está organizada una “Explotación Subterránea”.

Ya que como estudiantes de ingeniería de minas es importante saber cómo desarrollar una

excavación con la finalidad de extraer los recursos minerales, por lo cual es necesario un adecuado

método de explotación para la realización de túneles, pozos, chimeneas y galerías.

Esta investigación tiene como objetivo general explicar los diferentes métodos de explotación

subterránea. El objetivo específico es el de analizar los procesos de perforación, voladura, carguío

e identificar los métodos y equipos de perforación ya que es primordial saber cuáles son las

diferentes fases y materiales utilizados para dicha excavación, lo que servirá de mucho para el

desarrollo del futuro ingeniero en el sector minero.

Tratar este tema es muy importante porque para poder explotar una mina se necesita la elección

de los métodos de explotación. Depende de la forma y tamaño de la mina, 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, economía y el medio ambiente.

La metodología de nuestro informe es explicativa-bibliográfica. Explicativa dado que la visión del

grupo permite comprender los detalles de explotación subterránea, análisis de los procesos de

perforación, voladura, carguío y métodos y equipos de perforación. Bibliográfica porque hemos

utilizado diferentes tipos de citas bibliográficas de diferentes autores para poder sustentar las

ideas que quiere dar a conocer el informe para que el lector obtenga una mejor compresión del

tema.

León, H. (2011)1 asegura que la base de la minería en la extracción de minerales de la tierra es

conducir o construir una excavación, como medio de entrada desde la superficie existente hacia el

depósito mineral. Los detalles específicos del procedimiento para el minado, diseño y equipo a

utilizar en una mina, distinguen el método de minado, así como las circunstancias geológicas,

ambientales y físicas prevalecientes.

1 León, H (2011) Introducción a la minería.

El resultado de nuestro informe, se divide en tres partes: La primera consiste en el proceso de

perforación, voladura y carguío. La segunda parte en los métodos y equipos de perforación. La

tercera parte en los principales métodos de explotación subterránea. Como anexo, se ha incluido

imágenes relacionadas con el tema del presente informe.

El método de minado subterráneo generalmente se aplica para determinados tipos de depósitos

minerales, como vetas y mantos angostos, o también cuando depósitos tipo cuerpos o masivos se

encuentran en profundidad, de tal manera que extraerlos de forma superficial pueda resultar más

costoso.2 El minado subterráneo es un método usado por gran parte del país, ya que la mayoría de

los minerales se encuentran dentro de la corteza terrestre y para poder extraerlos se necesita de

un adecuado método.

El método consta de las siguientes operaciones:

• Perforación del frente de trabajo con perforadoras manuales convencionales (jackleg) o

mecanizadas (jumbos).

• Voladura del frente de trabajo, puede ser eléctrica, fanel, convencional, etc.

• Acarreo, con winches, scoops, etc.

• Sostenimiento del frente de trabajo mediante pernos de anclaje, shotcrete, mallas, etc.

• Transporte, carros mineros, camiones de bajo perfil, etc.

En este tipo de operaciones los problemas principales son como consecuencia de:

• Fragmentación del mineral y material estéril

• Soporte de la excavación

• Carguío y transporte de mineral y estéril

• Izaje o levantamiento del mineral desde la mina

• Control y bombeo del agua

• Suministrar un ambiente adecuado de ventilación para el trabajo.

Respecto de perforación y voladura, sigue siendo válido lo afirmado para estas operaciones en

minería a tajo abierto, sin embargo es preciso realizar algunas precisiones:

2 ESTUDIOS MINEROS DEL PERU S.A.C. Manual de Mineria [en linea]. [Consultado 22 Mayo 2015]. Disponible en: http://ingenierosdeminas.org/biblioteca_digital/libros/Manual_Mineria.pdf

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1. ANÁLISIS DE LOS PROCESOS DE PERFORACIÓN, VOLADURA Y CARGUÍO:

En la voladura subterránea, si bien es habitual el uso del ANFO, se utiliza dinamita y slurries en

mayor proporción que en minería a cielo abierto, debido a las condiciones de mayor humedad

asociadas a la minería subterránea.

Por razones obvias, el problema de los bloques ha de solucionarse totalmente en el minado

subterráneo, lo que unido a las diferentes condiciones de la voladura subterránea, suele

comportar un mayor consumo específico de explosivo por metro cúbico de mineral arrancado.

1.1.Perforación y Explosivos:

Debido a la enorme variedad métodos de minado subterráneo y de condiciones en que el mismo

se realiza (dureza de la roca, tipo de explosivo, tamaño máximo admisible de los bloques, tipo de

mineral, etc.), no es posible apuntar relaciones exactas (ni siquiera en términos de

intervalos) aplicables con carácter general a toda la minería subterránea.

No obstante lo anterior, preciso volver a recordar que en el Certificado de Operación Minera, que

autoriza la dirección de minas, con carácter previo a la adquisición de los explosivos y accesorios,

consta con claridad el factor potencia que corresponde a la explotación para la que se expide

dicho certificado. Por lo tanto el auditor deberá partir de dicho factor potencia, para determinar la

racionabilidad de los datos de producción declarados por la empresa.

1.2.Combustible y Fuerza

Al igual que en minería a cielo abierto, el consumo por hora de trabajo está en función del tipo de

máquina, de su potencia y capacidad, y de la distancia que debe recorrer, por lo que no es posible

dar relaciones insumo producto global. No obstante el auditor debe revisar la potencia y

capacidad de cada máquina, así como el recorrido medio, para estimar su consumo por hora de

trabajo, y, por esta vía, determinar las horas de trabajo y el volumen movido en un año, con el fin

de contrastar la racionabilidad de los datos declarados por la empresa.

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2. MÉTODOS Y EQUIPO DE PERFORACIÓN:

Existen distintos métodos de perforación de rocas, diferenciados principalmente por el tipo de

energía que utilizan (Ej.: mecánicos, térmicos, hidráulicos, etc.). En minería y en obras civiles, la

perforación se realiza, actualmente, utilizando energía mecánica.3 En minería subterránea la

mayoría de métodos de perforación se realiza utilizando energía mecánica que abarque lo

necesario para su desarrollo en el trabajo empleado.

2.1. Métodos de perforación de rocas:

Los principales componentes de un sistema de perforación de este tipo son:

Perforadora, fuente de energía mecánica.

Varillaje, medio de transmisión de dicha energía.

Broca o bit, herramienta útil que ejerce energía sobre la roca.

Barrido, efectúa la limpieza y evacuación del detrito producido

Clasificación de las perforaciones:

Según el método mecánico de perforación:

Métodos rotopercutivos:

Son muy utilizados en labores subterráneas y trabajos menores en minería a cielo abierto

(precorte), tanto si el martillo se sitúa en la cabeza como en el fondo de la perforación. En

este método tiene lugar la acción combinada de percusión, rotación, barrido y empuje.

Perforación rotopercutiva:

En este tipo de perforación se emplea la acción combinada de percusión, rotación, empuje

y barrido, ya sea en equipos manuales para labores menores o mecanizados y en obras

civiles de gran envergadura.

3 La Corporación Nacional del Cobre de Chile, 2012 Procesos de perforacion [en linea]. [Consultado 22 Mayo 2015]. Disponible en: https://www.codelcoeduca.cl/procesos_productivos/escolares_extraccion_equipos_asociados.asp

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Las principales ventajas de este método de perforación, en comparación al método rotativo, son:

Es aplicable a todos los tipos de roca, desde las más blandas hasta las más duras.

Permite una amplia gama de diámetros de perforación (desde 1" hasta 8").

En el caso de perforación mecanizada, los equipos tienen gran movilidad (la perforadora

puede ser montada en camiones sobre ruedas).

Requiere de una persona para operar la perforadora.

Métodos rotativos:

Se subdividen en dos grupos, según si la penetración en la roca se realiza por trituración

(triconos) o por corte (brocas especiales). El primer sistema se aplica en rocas de dureza

media a alta y el segundo en rocas blandas.

Según el tipo de maquinaria:

Perforación manual:

En este tipo de perforación se usan equipos ligeros operados por perforistas. Este método

se utiliza en trabajos de pequeña envergadura, donde, principalmente por dimensiones,

no es posible usar otras máquinas o no se justifica económicamente su empleo.

Perforación mecanizada:

En una perforación mecanizada, los equipos van montados sobre estructuras llamadas

orugas, desde donde el operador controla en forma cómoda todos los parámetros de

perforación.

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Según el tipo de trabajo:

Perforación de banqueo:

Perforaciones verticales o inclinadas utilizadas preferentemente en proyectos a cielo

abierto y minería subterránea (L.B.H.). Este es un tipo de perforación que generalmente se

utiliza para minería a cielo abierto y para algunos métodos de explotación subterránea.

Perforación de avance de galerías y túneles:

Perforaciones preferentemente horizontales llevadas a cabo en forma manual o

mecanizada. Los equipos y métodos varían según el sistema de explotación, pero por lo

general, para minería en gran escala subterránea se utilizan los equipos de perforación

llamados "jumbos", que poseen desde uno a tres o más brazos de perforación y permiten

realizar las labores de manera rápida y automatizada.

Perforación de producción:

Una perforación de producción corresponde a la que se ejecuta para cumplir los

programas de producción que están previamente establecidos.

Perforación de chimeneas y piques:

Se trata de las labores verticales, que son muy utilizadas en minería subterránea y en

obras civiles. En ellas se emplean métodos de perforación especiales, entre los cuales

destacan el Raise Boring y la jaula trepadora Alimak.

Perforación con recubrimiento:

Se utiliza por ejemplo, en perforación de pozos de captación de aguas y perforaciones

submarinas.

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Perforación con sostenimiento de rocas:

Este tipo de perforación se emplea principalmente en labores subterráneas cuando se

requiere colocar pernos de anclaje, y se realiza como método de fortificación para dar así

estabilidad al macizo rocoso.

2.2. Equipos de perforación manual:

Es el sistema de perforación más convencional de perforación, utilizado por lo general para

labores puntuales y obras de pequeña escala debido principalmente a la facilidad en la instalación

de la perforadora y a los requerimientos mínimos de energía para funcionar.4 Esto permite realizar

labores de perforación en zonas de difícil acceso sin que sea necesario personal muy

experimentado para la operación y mantención de las perforadoras.

Perforación manual con martillo en cabeza:

Este sistema de perforación se puede calificar como el más clásico o convencional, y aunque su

empleo por accionamiento se vio limitado por los martillos en fondo y equipos rotativos, la

aparición de los martillos hidráulicos en la década de los setenta lo ha hecho resurgir, ampliando

su campo de aplicación.

Perforadoras neumáticas:

En este tipo de perforadoras, el martillo es accionado por aire comprimido. Los principales

componentes de este sistema son:

Cilindro cerrado con una tapa delantera que dispone de una abertura axial donde va

colocado el elemento porta barras, así como un dispositivo retenedor de barras de

perforación.

El pistón, que con su movimiento alternado golpea el vástago o culata a través de la cual

se transmite la onda de choque a las barras.

4 La Corporación Nacional del Cobre de Chile) Ibiden

10

La válvula, que regula el paso de aire comprimido en un volumen determinado y de

manera alternativa a la parte anterior y posterior del pistón.

El mecanismo de rotación, ya sea de barra estriada o de rotación independiente.

El sistema de barrido, que consiste en un tubo que permite el paso del aire hasta el

interior de las barras.

Accesorios:

Empujadores:

Son los accesorios utilizados para dar el empuje que requiere la perforadora. Básicamente, un

empujador consta de dos tubos: uno exterior de aluminio o de un metal ligero y otro interior de

acero, el que va unido a la perforadora. Esto permite avanzar con la perforación y usar el

accionamiento neumático del empujador para el avance respectivo.

Barrenas integrales:

Es el conjunto de barras que unen la fuente de energía mecánica (pistón) con la roca mediante el

bit. Las barras integrales están constituidas por un culatín que está en contacto directo con el

pistón de la perforadora y una barra que va unida a la broca o bit, que es el elemento que está en

contacto con la roca.

2.3. Accesorios de perforación en equipos mecanizados:

Deslizaderas:

Uno de los accesorios que sirven para alojar el elemento de perforación (pistón) y realizar el

avance en forma mecanizada es la llamada "deslizadera", la que va montada en los brazos de los

jumbos y a la que se puede incorporar un conjunto de aparatos automatizados e integrados al

panel de control del operador.

Deslizaderas de cadena:

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Este sistema de avance está formado por una cadena que se desplaza por dos canales y que es

arrastrada por un motor neumático o hidráulico, según el fluido que se utilice en el accionamiento

del martillo, a través de un reductor y piñón de ataque. Este sistema es muy utilizado tanto en

equipos de superficie como subterráneos debido a su bajo precio, a la facilidad de reparación y a

la posibilidad de lograr grandes longitudes de perforación.

Deslizaderas de tornillo:

En estas deslizaderas el avance se produce al girar el tornillo accionado por un motor neumático.

Este tornillo es de pequeño diámetro en relación con su longitud y está sujeto a esfuerzos de

pandeo y vibraciones durante la perforación. Las principales ventajas de este sistema son: una

fuerza de avance más regular y suave, y gran resistencia al desgaste.

Deslizaderas hidráulicas:

El sistema consta de un cilindro hidráulico que desplaza la perforadora a lo largo de una viga

soporte. Las deslizaderas hidráulicas presentan las siguientes ventajas: simplicidad y robustez,

facilidad de control y precisión, capacidad para perforar grandes profundidades y adaptabilidad a

gran variedad de máquinas y longitudes de barrenos.

Sarta de perforación:

Esta es uno de los componentes más importantes del equipo de perforación, pues se trata de la

estructura que conecta la perforadora con la roca. La sarta está compuesta de los siguientes

elementos:

Adaptadores de culata:

Corresponden a aquellos elementos que se fijan a las perforadoras para transmitir la energía de

impacto, la rotación y el empuje.

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Manguitos o coplas:

Son estructuras que sirven para unir las barras hasta conseguir la longitud deseada, asegurando

que los extremos estén en contacto para una mejor transmisión de energía.

Barras de extensión:

Son las barras empleadas cuando se perfora con martillo en cabeza. Éstas tienen sección

hexagonal o circular y en el caso de emplear perforación manual, generalmente lo que se usa son

las barras (barrenas) integrales, las cuales tienen unida la barra y el bit, eliminando el empleo de

coplas y mejorando la transmisión de energía. Los principales tipos de barras integrales son:

Barras tipo cincel: son las más usadas y se caracterizan por su bajo costo y reparación.

Barras de insertos múltiples: para rocas blandas y fisuradas.

Barras de botones: usadas para rocas poco abrasivas, de fácil penetración. Por ejemplo, se

utilizan en minas de carbón.

Brocas:

Las brocas o bits son los elementos que están en directo contacto con la roca que se está

perforando. Por esta razón, las características de la roca son importantes de considerar al

momento de escoger el tipo de broca.

Las brocas que se utilizan en la perforación son de dos tipos:

Pastillas o plaquitas

Botones

Roscas:

Estos elementos tienen la función de unir las culatas, coplas, barras y brocas, obteniendo un ajuste

eficiente entre los elementos de la sarta para lograr una adecuada transmisión de energía.

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Tubos:

El uso de perforadoras hidráulicas con martillo en cabeza en perforaciones de gran diámetro

(sobre 115 mm) ha llevado a diseñar tubos de perforación específicos que poseen las siguientes

ventajas:

Mayor rigidez, lo que permite reducir las desviaciones.

Mejor transmisión de la energía, al no ser necesario el uso de coplas.

Mejor barrido, al existir una mejor transmisión del aire en el espacio anular.

Respecto de los materiales con que se construyen la sarta y sus componentes, es importante

considerar que los aceros empleados en la estructura de la sarta deben ser resistentes a la fatiga, a

la flexión, a los impactos y al desgaste. Lo ideal es utilizar aceros con un núcleo no muy duro y una

superficie endurecida y resistente al desgaste.

Se entiende como minería subterránea a la que se realiza por medio de obras y trabajos en el

interior de la tierra para acceder a la masa de mineral y extraerla. La forma de extracción del

mineral y el tratamiento del hueco creado son los factores que definen, de alguna manera, el

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3. MÉTODOS DE EXPLOTACIÓN SUBTERRÁNEA

método de explotación.5 En Perú, los métodos más comunes son: Cámaras y Pilares, Tajeo por

subniveles, Cráteres invertidos, Corte y Relleno y Almacenamiento Provisional.

3.1. Cámaras y Pilares:

Este método es conocido también con él término “room and pillar” y consiste en ir

dejando secciones de mineral, como pilares, para mantener los huecos creados. Las

dimensiones de las cámaras y la sección de los pilares dependen de las características del

mineral y de la estabilidad de los hastíales.

3.2. Tajeo por Subniveles:

Este método es conocido también con el término “sublevel stopping” y consiste en dejar

cámaras vacías después de la extracción del mineral. El método se caracteriza por su

gran productividad debido a que las labores de preparación se realizan en su

mayor parte dentro del mineral.

3.3. Cráteres Invertidos:

Este método consiste en el arranque del mineral por rebanadas ascendentes mediante el

empleo de voladuras en cráter. El mineral fragmentado puede permanecer dentro del

hueco creado, al igual que en el método de cámaras almacén, de forma que se evite el

hundimiento de los hastíales. Se extrae también desde el fondo de la galería de base a

través de un sistema de tolvas.

3.4. Corte y Relleno Ascendente (OVER CUT AND FILL):

El mineral se arranca por rebanadas horizontales, en sentido ascendente, desde la galería

de fondo. Una vez volado se extrae completamente de la cámara, a través de unos

coladeros, efectuándose a continuación el relleno del hueco creado con estériles, con lo

5 SEGURIDAD MINERA, 2013 Técnicas de minería subterránea [en linea]. 15 Octubre 2013 [Consultado 22 Mayo 2015]. Disponible en: http://revistaseguridadminera.com/operaciones-mineras/tecnicas-de-mineria-subterranea-para-un-trabajo-seguro-y-rentable/

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que se consigue crear una plataforma de trabajo estable y el sostenimiento de los

hastíales.

3.5. Minado por Almacenamiento provisional (Shrinkage Stopping):

El mineral es cortado en rebanadas horizontales, comenzando de la parte baja y

avanzando hacia arriba. Es un método bastante utilizado, en el Perú se viene utilizando en

minas pequeñas y de mediana dimensión.

3.6. Método de Entibación con Cuadros (Fortificación de madera):

Consiste en el sostenimiento con madera, disponiendo está en forma de paralelepípedo

rectos donde los elementos verticales o estemples soportan las presiones verticales, los

horizontales o codales las presiones de los hastíales y los cuatro elementos de unión

restantes rigidizan el conjunto.6 Esta es una técnica de fortificación que se emplea

preferentemente en yacimientos de rocas débiles pero en la actualidad está en desuso

porque requiere de una gran cantidad de madera y solo se utiliza cuando el mineral es

muy rico.

3.7. Tajeos Largos:

Este método puede utilizarse en la explotación de yacimientos estratificados, delgados, de

espesores uniformes e inclinaciones preferentemente e pequeñas a moderadas. El mineral

se extrae a lo largo con medios mecánicos: rozadora, cepillo, o con explosivos en el caso

de las rocas más duras. Este es un método donde el mineral se extrae por medio de

transportadores de cadenas que descargan en cintas transportadoras que discurren por

las galerías en dirección.

3.8. Hundimiento por Subniveles:

6 Entibación [en línea]. [Consultado 22 Mayo 2015]. Disponible en: http://www.villanuevadelrioyminas.es/opencms/opencms/villanuevadelrio/municipio/industriaminera/entibacion.html

16

Consiste en la división del yacimiento en niveles y estos a su vez, en subniveles que se van

extrayendo en sentido descendente.

El mineral fragmentado cae por gravedad dentro de las galerías desde las cuales se carga y

transporta hasta una piquera o coladero que descarga sobre una galería principal. El

estéril de techo se va fragmentando y hundiendo de forma gradual dentro de los huecos

dejados por el mineral

3.9. Hundimiento por Bloques:

Consiste en dividir el yacimiento en grandes bloques de sección cuadrangular de varios

miles de metros cuadrados. Cada bloque se socava practicando una excavación horizontal

con explosivos en la base del mismo. El mineral se extrae de los conos tolva y piqueras

practicadas, cargándose y transportándose mediante palas de neumáticos a lo largo de las

galerías de transporte inferiores.

CONCLUSIÓN

Podemos concluir afirmando que los métodos de explotación subterránea son fundamentales para

la extracción del mineral, la cual necesita un adecuado método para el buen desarrollo de la

excavación sin perjudicar el medio ambiente, así obteniendo beneficios económicos.

17

Aparte de un adecuado método se debe utilizar un adecuado equipo que ayude hacer las

perforaciones correspondientes para proceder con la voladura, colocar el explosivo para el

rompimiento del macizo rocoso.

BIBLIOGRAFÍA

Estudios mineros del peru S.A.C. 2006. Manual de mineria. [En línea] 2006.

http://ingenierosdeminas.org/biblioteca_digital/libros/Manual_Mineria.pdf.

18

La Corporación Nacional del Cobre de Chile. 2012. Procesos de perforacion. [En línea] 2012.

[Citado el: 22 de Mayo de 2015.]

https://www.codelcoeduca.cl/procesos_productivos/escolares_extraccion_equipos_asociados.asp

.

Seguridad minera. 2013. Técnicas de minería subterránea . [En línea] 15 de octubre de 2013.

http://revistaseguridadminera.com/operaciones-mineras/tecnicas-de-mineria-subterranea-para-

un-trabajo-seguro-y-rentable/.

Villanueva del Río y Minas. Entibación. [En línea]

http://www.villanuevadelrioyminas.es/opencms/opencms/villanuevadelrio/municipio/

industriaminera/entibacion.html.

Anexos

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20

Figura N°2: Corte y relleno

Figura N°1: Cámaras y pilares

Fuente: Wikipedia

21

Figura N°3: Método de Entibación con Cuadros

Figura N°4: Tajeos Largos

Figura N°4: Almacenamiento Provicional

22Figura N°7: Tajeo por Subniveles

Figura N°6: Hundimiento por bloques

Figura N°5: Cráter Invertido