Diseño minas explotadas por Sub Level Caving (SLC)

Definición

Sublevel caving es un método de explotación masivo subterráneo basado en la utilización de flujo gravitacional del mineral tronado y diluyente hundido

Condiciones ideales• Roca de caja dura, diseño de pilares• Roca competente, con pocas estructuras

(formación de cuñas)• Pocas estructuras mayores• Yacimiento verticales• Esteril con algun contenido del mineral de interes• Depositos masivos• Fragmentación gruesa del esteril• Condiciones secas• Buena hundibilidad del esteril para el poligono de

extracción

Descripción • Mineral es fragmentado a través de tronadura• Diluyente o roca huesped hunde bajo la

acción de esfuerzos inducidos y gravedad.• Es un método “top down” • Desarrollo de puntos de extracción mobiles o

sub-niveles• Cabezera en slot al final de la calle de

producción.• Mineral es tronado con perforación radial• Pre-carguío de explosivo es de 3-4 paradas • Secuencia de extracción obedece a regla de

45° en paneles

Ventajas• Minería tipo “top-down”

– Producción desde niveles mas superficiales con la consecuencia entrada en producción.

• Flexibilidad– Se puede conocer de mejor forma la mineralización a medida que

se realizan los desarrollos.• Selectividad

– Si se encuentran bolzones de baja ley se puede solo se extrae el esponjamiento

– Tronadura que resulte en fragmentación más gruesa• Productividad

– En yacimientos masivos se pueden efectuar las operaciones unitarias en varios niveles.

– Se pueden estandarizar e industrializar, concepto de “rock factory”

Ventajas• Riesgo

– Menor cantidad de reservas sujetas a riesgo de ser recuperadas por punto de extracción

– Mineral perdido puede ser recuperado en niveles inferiores por sobre-tiraje.

• Seguridad– Minería realizada en galerías soportadas

Desventajas• Dilución, mineral rodeado de esteril

• Todo el mineral debe ser tronado

• Recuperación baja o alta con dilución (>20%)

• Alta cantidad de desarrollos

• Subsidencia en superficie

• Parámetros de flujo gravitacional no conocidos previo a la explotación (requiere pruebas en terreno para optimizar las operaciones)

• Requiere un control estricto de los parametros de perforación y tronadura ya que esta se realiza en abanicos y en condiciones confinadas– concentración no uniforme de energía del explosivo puede generar back break,

congelamiento de tiros, fragmentación gruesa.

Evolución del metodo de explotación

SLC convencional SLC modernosAplicado a mineral poco competenteMineral de desarrollos: 15-20%Recuperación : 80-85%Dilución: 30-35% en volumenDistancia entre subniveles: 7 – 15 mPunto entrada dilución

Indice de desarrollo (ton desarrollo/ton ring) = 0.178 t/t

Volumen disponible para tronadura17,8%

Aplicado a mineral competenteMineral de desarrollos: 7%Recuperación : 90-100%Dilución: 15-24% en volumenDistancia entre subniveles: 20-30 mPunto entrada dilución: > 50%

Indice de desarrollo (ton desarrollo/ton ring) = 0,055 t/t

Volumen disponible para tronadura5,5 %

Esquema clásico en SLC

SLC- modernos

Comparación de diseños- SLC

Parámetros de diseño

– Distancia entre subniveles– Distancia entre drifts en el mismo nivel– Ancho de puntos de extracción– Forma de puntos de extracción– Parámetros de perforación y tronadura en rings– Slots– Control de la fragmentación– Control del tiraje– Estabilidad

Revisión guías de diseño SLC

Guías propuestas de diseño• Kvapil (1982,1992)- diseño SLC convencional

basado en conceptos de tiraje aislado• Kvapil (2004) – diseño SLC para diseño tipo silo• Bull y Page (2000)- Teoria interactiva aplicada al

diseño del SLC y su operación• Hustrulid (2001) – Diseño basado en parámetros

de perforación y tronadura• Hustrulid & Kvapil (2008) – diseño SLC modernos

Modelos de flujo gravitacional (Kvapil, 1992)

Pared lisa

Ensayos de FG en SLC

Pruebas usando marcadores físicos (Janelid, 1973)

Comparación pruebas con modelos escalados de arena

Determinación de espaciamiento

Definición de altura de elipsoide de extracción

Influencia de condiciones de borde en el flujo gravitacional

Influencia de la geometria de salida en el ancho de extracción

Efecto sobre ancho de extracción

Efecto sobre profundidad de extracción

El ancho aumenta un 20% para el caso de 80° de inclinación

1. Metodología de diseño (Kvapil, 1992)

SLC tradicional (Kvapil, 1992)

Determinar:

SD: espaciamiento entre galerías (m)

HS = distancia entre niveles (m)

Dados:

WD= ancho punto extracción,m

HD= altura punto de extracción,m

Ancho efectivo

Ancho en % de galería para distintas formas de punto de extracción

Ancho de elipsoide de extracción

HtH S 32

Ancho W´en función de la altura total del elipsoide de extracción Ht (m)

Ht determinado por largo máximo de perforación:

SLS convencional : 20-30 m

´ 1.8TW W a

a, ancho efectivo de extracción

Espaciamiento y burden

6.0T

DWS

0.65T

DWS

Hs <= 18 m

Hs > 18 m

D SS HSLS Convencional

Hs=20-30 m

Burden estimado

42Tt Wdb

Ejercicio 1• Determine los parámetros de diseño del nivel de

producción de una mina a ser explotada por SLC convencional para las siguientes condiciones:

– Ancho punto de extracción 5 x 4 m– Altura máxima de perforación 30 m– Mineral corresponde a porfido de cobre– Fragmentación fina (< 200 mm)

Diseño SLC tipo silo

SLC modernos > 20 m, geometría tipo silo (Kvapil, 2004)

•Tipo 1: material tronado fino•Tipo 2: material tronado hasta 0,3 m

•Tipo 3: material tronado hasta 0,6 m

•Tipo 4: material grueso con bolones de 0,75 m o mas ocasionales

•Hn, 2 x altura subniveles

Diseño: ejemplo SLC tipo siloSuponga una altura entre subniveles de 25 m

mxhN 50225

Suponga burden de 3 m y 80° inclinado

Tronadura estándar clase 3

Dimensiones de calles es 5 x 3,8 m

De gráfico de diseño

bn= 18 m (ancho elipsoide de extracción a 50 m)

Bn( inclinado) = 1,15 * 18 m= 20,7

Bn(inclinado) = 1,1 * 18 = 20 m (disminuye factor de seguridad)

Diseño SLC modernosDiseño SLC:

1. Punto de extracción

5 x 4, 6 x 5, 7 x 5 (LHD)

2. Burden y espaciamiento:

ANFO B= 20 D

Mas energeticos B=25D

B/S = 1.3

Ejemplo:

D= 115 mm; emulsión

B= 3 m

E= 4 m

Ref. Bullock y Hustrulid (2001)

Planning the undeground Mine on the Basis of Mining Method

Underground Mining Methods, Engineering fundamentals and International Case Studies, SME.

Intervalo subniveles 25 m

Angulo base 70° (flujo)

Intervalo subniveles 25 m

Angulo 55° para quebrar mineral en el apex

Reducir largo maximo perforación

Ubicación disparos en el ring

Buffer se deja de un 1 entre los bordel del ring

- Tiros inclinados 70°-80° para mejorar la estabilidad de la visera y acceso para cargar los disparos.

Superposicipon elipsoide de extracción

Guías de diseño SLC – modernos (revisado, 2008) 1. WD, HD, ancho y altura de punto de extracción determinado por equipos

2. Hs, determinado por altura de perforación

3. SD = 2,4 WD (Hs > 15 m)

Ref. Hustrulid y Kvapil (2008)

rocaAnfoe

e

h

d

d

PP

rR

RB

65.220

2

,

exp,

4. Burden

BST 3.1

4. Espaciamiento entre disparos radiales

5. Espaciamiento entre disparos paralelos

6. Inclinación disparos. 70-80° hacia el caving

TS B

Guías de diseño SLC – modernos (revisado, 2008)

Ejemplo• Determine los parametros de diseño de SLC con

los siguientes datos:– D = 115 mm– Equipo LHD 13 yd3– Explosivo: Emulsión (Pe,expl=3900 MPa)

Ejercicio – cálculo parámetros de diseño SLC

Diametro perforación 115 mmAncho galería WD 7 mAltura galería HD 5 m

ExplosivoPresión explosivo 3900 MpaDensidad de roca 4.6 ton/m3

Intervalo subniveles Hs 25 m

Espaciamiento Hs 17 m

Burden BRd/rh 23.69988993Rd 1.4 metrosB 2.73

Espaciamiento entre tiros (radiales)

e 3.5 metros

Espaciamiento entre tiros (paralelos)

e 3.0 metros

Inclinación alpha 80°

Longitudinal o trasversal?

SLC Transversal SLC Longitudinal-Produce mas puntos de extracción-Slot corta los esfuerzos inducidos-Relajación puede provocar inestabilidad estructural.- Más desarrollo en estéril

-Menos puntos de extracción-Desarrollos en mineral-Esfuerzos perpendiculares a pilares-Estructuras confinadas-Menos productivo-Mayores requerimientos de ventilación

SLC - Transversal versus longitudinal

SLOT

SLOT

Desarrollosen esteril

Frente amplio

Frente angosto

Slots1. Slot individual con chimenea al final de cada galería de extracción

2. Continuo con una chimenea a un extremo en un desarrollo perpendicular

Chimenea

Chimenea

Slots3. Quemar hacia la galería de producción

4. Quemar hacia una galería perpendicular

Guía de buenas prácticas operacionales en SLC• Desarrollos

• Soporte: El objetivo del soporte es mantener la forma de las viseras, mantener collares estables, reducir back break, y producir condiciones de carguío seguras.– Soporte sistemático: Split set y malla– Soporte estructural: pernos lechados con planchuelas

resistentes– Cables en pilares

Guía de buenas prácticas SLC• Tronadura producción, el objetivo de la tronadura

es arrancar el mineral, compactar el esteril, previniendo tiros quedados y creando buena fragmentación que se traduzca en interacción y alta productividad.

Método de extracción

LHD de poca capacidad LHD de gran capacidad

Riesgos operacionales• Daño en viseras

– Cuñas– Back break, – falla por esfuerzos provoca corte

de tiros • Pilares

– Estabilidad de pilares por abutment, estructuras

• Puentes– Dificultad en quebrar el mineral en

altura, produce que el esteril fluya alrededor

• Paredes– Sobre consolidación de esteril

• Congelamiento de tiros• Pilares entre zonas de extracción,

pilar no quemado en los bordes• Sobretamaño, debido a desviación

de tiros

• Cuñas

• Colgaduras (caving)

• Slot incompletos

• Perdida de tiros– Corte de tiros– Cierre de tiros

Riesgos operacionales

Recuperación y dilución en SLC

Dilución en SLC convencional

Mecanismo de mezcla en SLC

Fuentes de dilución en SLC

Dilución observado en SLC modernos

% de esteril puntual mina Kiruna

80% recuperación

20% dilución

Pulsación de esteril debido a diferentes porcentajes de volumen disponible

SLC- Benchmark

Minas en estudioMina Dueño Ubicación Metal Producción

diariaKiruna LKAB Suecia Hierro 76,000Malmbergert LKAB Suecia Hierro 45,000Perseverance BHP Australia Niquel 5,000Ridgeway Newcres

tAustralia Oro/

Cobre16,500

Stobie Inco Cánada Niquel 5,000

Bench mark SLCStobie Ridgeway Perseverance Malmbergert Kiruna

Espaciamiento entre galerías m 17 14 15 22 24.75Espaciamiento entre subniveles m 31 30 25 28 28Ancho Pilar m 18 14 15 22.5 25Ancho galeria m 5 7Altura galería m

Inclinación rings ° 70 80 75 80 80Angulo shoulders ° 45 65 30 68 72

Explosivo por disparo ton 2 1.1 1.25 2.5 3.0Factor de carga Kg/t 0.75 0.4 0.4 0.25 0.25Densidad emulsión g/cc 1.25 1.1 1 1.2 1.2

Producción diaria ktpd 5,000 16,500 5,000 45,000 76,000Disponibilidad puntos extracción número 25 41 12 65 86Productibilidad relativa (ton/dp/día) 200 402 417 692 884Recuperación ley % 65 90 81 75 75Entrada dilución % 20Fortificación 2.2 - 15 pernos/metro

Parámetro Diseño

Estudio de casoPruebas SLC en terreno

Trial design-Ridgeway Mine

• Marker design– Steel pipe, 300mm lengths, 40mm Ф– Filled with grout to simulate rock density– Individual marker IDs welded on markers– Redcaps and Spiders used to hold markers

up hole• Marker Installation

– Installed using explosives charging truck– Grouted into the hole to ensure position is

maintained– Approx. 300 markers in a monitored ring

• Marker Recovery– From magnets on ore handling level– Tests with markers placed into ore passes

show 100% recovery of drawn markers

Ring designs• Blast Rings

– 7 hole pattern– Emulsion 1.1 density– Holes double primed– Pre-charging system

used– 25m sublevel spacing– 6m wide drives– 14m XC spacing

• Marker Rings– 2 – 3 marker fans per

burden– Markers spaced at 1m

intervals down hole– Holes offset in

successive marker fans

AssessmentModeled in 3D to assess

– volume recovered for 20% increments of primary draw

– Volume back break– Width of draw– Depth of draw– Estimated time and location of

dilution entry– Secondary recovery– Tertiary recovery

Back-break recovered previous

ring blast

Primary recovery from blasted ring

Secondary recovery from

level below

Typical primary recovery results

• Average width of draw 11-12m

• No interaction between adjacent rings

• Depth of draw variable with height

• Draw proceeds up front of ring and deepens

• Flow cyclic and variable in individual rings – not the same as in physical models

• Average Primary recovery 60% at 120% draw – consistent across many rings tested