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LIXIVIACIÓN INSITU DEL COBRE SÓLO CON AGUA A CIELO ABIERTO

Fernando Enrique Toledo Garay

Universidad Nacional Mayor de San Marcos

fenriquetoledog@hotmail.com

RESUMEN

Este es un trabajo de investigación, iniciado con

“La Determinación de Temperaturas Críticas de

Oxidación de los Sulfuros” en el año 2 009, con la

finalidad de continuar con el trabajo de

investigación titulado: “Lixiviación Insitu del Cobre a

Partir de la Calcopirita Sólo con Agua, Controlada

por la Ventilación de Mina”, basados en las

experiencias laborales de la lixiviación Insitu en la

mina Excélsior de Cerro de Pasco; siendo el

objetivo de esta investigación, determinar los

parámetros de lixiviación en el laboratorio para

diseñar el método de explotación y los parámetros

de producción, con el deseo de revertir los

problemas generados por la explotación a cielo

abierto y el rechazo de la población a este sistema

de minado.

Los objetivos ambientales son: 1º eliminar

totalmente la generación de “Stripping” en la

explotación a cielo abierto; 2º eliminar totalmente la

generación de agua contaminada de las:

escombreras, concentradoras y refinerías de

cobre; 3º Eliminar parcialmente la generación de

ruidos, polvos y gases que producen la

fragmentación del mineral. Los económicos son: la

generación de ahorros por: 1º la eliminación total

del proceso de concentración y fundición; 2ª la

eliminación del transporte y disposición de

escombros, 3º la eliminación del transporte del

mineral y 4º la disminución considerable de los

costos de remediación ambiental.

Este sistema de minado en el país no es nuevo,

se efectúa la investigación para ampliar su alcance

y adaptar su aplicación a los yacimientos de

sulfuros y óxidos de cobre porfirítico, las únicas

condiciones que cerca al yacimiento se cuente con:

abundante agua proporcional al volumen de

producción y la concentración de valores; así

mismo, si el yacimiento se ubica en una llanura,

esté cerca a una quebrada para ingresar al fondo

mediante un túnel, con el fin de manipular la

temperatura con las corrientes de convección de la

ventilación. Contamos con tecnología para que

desde la superficie se puedan perforar chimeneas

de ventilación y taladros para la fragmentación del

mineral. El agua con sulfato de cobre que debe

salir por el túnel ingresaría a una planta de electro

deposición (electro ganancia o Electro Winning),

obteniéndose cobre electrolítico con 99,98% listo

para ser embarcado para la exportación o pasar a

la fábrica de conductores o de motores electicos.

Concluimos que este sistema de explotación

generalizado en el Perú y el mundo, elevaría la

sustentabilidad de la industria minera por los

siguientes motivos:

1º El impacto ambiental sería ínfimo, porque el

agua de la lixiviación se puede re circular, como en

Cerro de Pasco, no se generará stripping ni

relaves.

2º Los costos de producción bajarían

ostensiblemente al no tener la necesidad de

concentrar el mineral, ni enviar a la fundición, ni

gastar en remediación ambiental.

Palabra clave : Mayor sustentabilidad en la minería

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SUMMARY

This is a research, which began with "The

Determination of Critical Temperatures Oxidation of

Sulfides" in 2 009, in order to continue the research

work titled: "Insitu Leaching Copper from

Chalcopyrite Only Water Controlled Mine

Ventilation", based on the work experience Insitu

leaching in the Excelsior mine in Cerro de Pasco;

the objective of this investigation, determine the

parameters of leaching in the laboratory to design

the method of operation and production parameters,

with the desire to reverse the problems caused by

open pit mining and the rejection of the population

to this mining system.

The environmental objectives are: 1º completely

eliminate the generation of stripping in the open pit,

2º completely eliminate the generation of

contaminated water from: tailings, concentrate and

copper refineries, 3° Remove partially the

generation of noise, dust and gases produced ore

broken. The economics are: the generation of

savings: 1º the total elimination of concentration

and smelting, 2º eliminating transportation and

disposal of debris, 3º the elimination of

transportation of ore and 4º the significant reduction

of the costs of environmental remediation.

This system of mining in the country is not new,

research is carried out to expand their reach and

tailor your application to copper oxides and sulfides

porphyry deposits, the only conditions that are close

to the site has: plenty of water proportional to the

volume production and concentration of values,

likewise, if the site is located on a plain, is near a

creek bottom to enter through a tunnel, in order to

manipulate the temperature with the convection

currents of ventilation. We have technology that can

surface from vents and drill holes for mineral

fragmentation. Water with copper sulfate that

should come through the tunnel to Enter electro

winning plant, yielding 99.98% electrolytic copper

ready to be shipped for export or move to the

factory drivers or of us electric motors.

We conclude that this operating system widespread

in Peru and the world, would increase the

sustainability of the mining industry for the following

reasons:

1º the environmental impact would be negligible,

because water leaching can be reflow, as in Cerro

de Pasco, stripping or tailings is not generated.

2° the production costs would go down ostensibly to

not have the need to concentrate the ore, or send to

the foundry, or spend on environmental

remediation.

Key word: Greater viability in the mining.

I. INTRODUCCIÓN

En este proyecto se determinarán los parámetros de lixiviación por unidad de volumen de mineral lixiviado, iniciando con el control del flujo de aire que permitirá dosificar la transferencia del calor originado por las primeras manifestaciones de oxidación e incrementándose la temperatura que acelera el proceso en la cámara de oxidación, que simula las labores mineras del subsuelo; de esta manera encontraremos los nuevos parámetros de diseño de lixiviación inducido sólo con agua y la dosificación de las corrientes de convección, sin la necedad de la infiltración de agua con ácido sulfúrico o con bacterias; aplicables en la extracción del cobre a un costo de explotación menor que los tradicionales.

El estudio se realizará íntegramente en el laboratorio de mecánica de fluidos y ventilación de la universidad, con muestras proporcionadas por las empresas productoras de cobre.

Para simular las condiciones de temperatura y humedad de los tajeos, se ha construido una cámara de oxidación de vidrio doble, para hacer posible la toma de información registrada por el termo higrómetro instalado en el interior, junto con las muestras. En la chimenea de exhalación instalada en la cola de esta cámara, se debe registrar la velocidad del aire con el termo anemómetro, la emisión de gases con los detectores de SO2 y O2. De estas manera, simulando las operaciones en los tajeos al interior del yacimiento, a la escala de 1/100, podremos efectuaremos las mediciones de temperatura, humedad y emanaciones de los gases, para calcular los tiempos de las reacciones químicas y el inicio del flujo de las soluciones de sulfatos de cobre y hierro.

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1.1.0.0. Antecedentes y Fundamentación Científica, Técnica o Humanísticos.

1.1.1 .0. .Antecedentes

A finales de la década de los 50, en los niveles más bajos de la sección San Miguel de la mina Morococha y Excélsior de la mina Cerro de Pasco, ambas de propiedad de Cerro de Pasco Corporation; se iniciaron los tratamientos de las soluciones de sulfato de cobre generados naturalmente en los tajeos antiguos, que por sus bajas leyes quedaron sólo fragmentados, precipitándose estas soluciones con valores de cobre, en chatarra de hierro, dentro de canales de madera, calafeteados con asfalto, por donde se hacía discurrir el sulfato diluido en agua. En la década de los 60, en la sección Excélsior del nivel 1200, ya se tenían instaladas 3 bombas de 1 300 kw (1 800 hp) cada una y en la superficie de esta sección, se habían construido las celdas de precipitación con un diseño más complejo, para mecanizar el abastecimiento de chatarra y el carguío de los barros de cobre, directamente a los carros del ferrocarril, con destino a la planta de refinado de cobre de La Oroya; lográndose una producción diaria de: 160 t/día con 72% de cobre en estos barros.

A fines de la década de los 70, Centromín Perú construyó una planta de electro deposición en Cerro de Pasco, para reemplazar la planta de precipitado de cobre con chatarra y una planta de lixiviación bacteriana. Esta última planta no tuvo la capacidad de abastecer el suficiente volumen de solución, con las leyes pertinentes de cabeza, para generar la adecuada rentabilidad con este proyecto.

La lixiviación en subsuelo, no requería de ninguna manipulación bacteriana; esta manera de lixiviar, en la superficie se efectúa a partir de los óxidos, generándose serias dificultades con la lixiviación a partir de los sulfuros; precisamente por haberse ignorado las condiciones termodinámicas y la teoría de la energía cinética de los gases en las reaccione químicas; así como, la transferencia de calor mediante las corrientes de convección. Esta manipulación se está haciendo en San Marcos desde el año 2009, habiéndose llevado las conclusiones de la primera etapa al 1º Congreso Internacional de Metalurgia Extractiva.

En el Perú y el mundo hay muchos yacimientos de cobre, donde se aplican sistemas y métodos tradicionales de extracción con altos costos y generando impactos ambientales con elevados índices que superan los límites permisibles, cerrándose minas donde los estados y sus economías son más fuertes que las empresas mineras.

1.1.2.0. Justificación e importancia del tema

1.1.2.1. Justificación social: si el estado genera leyes pertinentes y equitativas; este proyecto de investigación se justificaría, por que podría solucionar los conflictos de la población, con los inversionistas de la industria minera, por la tenencia de los mismos espacios geográficos ocupados por las diferentes actividades económicas, de los pobladores del entorno a la concesión minera.

1.1.2.2. Justificación económica: porque podría disminuir ostensiblemente los costos de extracción del cobre, al eliminarse totalmente el transporte de mineral, la concertación y la fundición del mineral; también, la disposición de relaves y escóriales; por lo tanto la disminución en costos de remediación ambiental; además, la voladura, transporte y la disposición del Stripping, en el sistema de minado a cielo abierto.

1.1.2.3. Justificación Técnica: este proyecto de investigación se justifica, por que podría ser el hito de inicio de una revolución técnica en la extracción de los metales; al simplificarse las operaciones mineras y eliminarse las de concentración y fundición en la extracción de los metales, desde el yacimiento a la planta de electro deposición y de esta, a la fábrica de conductores o motores eléctricos, o los puertos de embarque.

1.1.2.4. Justificación Ambiental: La producción del cobre sería mucho más limpia y sustentable. Con un ínfimo impacto ambiental.

1.2.0.0. Hipótesis

La lixiviación de los metales básicos a partir de los minerales sulfurosos, se puede efectuar sólo con agua, si se controla la transferencia de calor de reacción con el flujo de aire en la mina.

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1.3.0.0. Objetivo

Es determinar los parámetros de lixiviación por unidad de volumen de mineral lixiviado.

1.3.1.0. Metas Específicas:

Para alcanzar el objetivo se culminarán las siguientes metas:

1.3.1.1. Determinación de la velocidad del aire, por unidad de sección transversal de la labor, para mantener rangos de temperatura ambiental entre 37º a 40ºC.

1.3.1.2. Determinación de medios de generación de vapor de agua, para la continuación de las siguientes fases de reacción a sulfatos; y de los flujos óptimos de agua para el lavado de estos compuestos cristalizados.

1.3.1.3. Determinación de los rangos de granulometría del mineral, para obtener mayor área de las inter caras de oxidación.

1.3.1.4. Determinación del tiempo total de la obtención de valores metálicos en g/l, o leyes por unidad de tiempo y por volumen de mineral lixiviado.

1.3.1.5. Determinación del tiempo total de disolución de sulfatos, y su lavado para el transporte por tubería a la planta de beneficio.

1.3.1.6. Tiempo total del ciclo de las operaciones por unidad volumétrica lixiviada en función al volumen y leyes del mineral lixiviado; así como, el volumen de agua empleado.

1.4.0.0. Contribución e Impacto

Con este proyecto de investigación podemos contribuir a la ampliación del bagaje de conocimientos técnicos, en la extracción de los metales. También, este proyecto podría solucionar o menguar el gran problema que tiene el Perú, de escoger entre la inversión de los mega proyectos mineros, o satisfacer las demandas de la población contra las empresas mineras, para explotar yacimientos de baja ley, compensadas por el gran volumen de remoción de tierras. Así mismo, servirá para fomentar la explotación de yacimientos filoneanos de bajo volumen y leyes.

1.5.0.0. Metodología del Trabajo

El método aplicado en este proyecto de investigación, es experimental, analítico deductivo en el Laboratorio de Mecánica de Fluidos y Ventilación, de la Escuela Académico Profesional de Ingeniería de Minas, como continuación del trabajo de investigación efectuado en el año 2009 cuyos resultados fueron expuestos en los congresos internacionales de metalurgia y mecánica de rocas, en noviembre y diciembre del año 2010, respectivamente.

Para alcanzar las metas y lograr nuestro objetivo en este proyecto, se seguirá los siguientes pasos:

1.5.1.0. Planeamiento de la simulación de las condiciones termodinámicas de las operaciones de subsuelo en el laboratorio.

1.5.2.0. Diseño de las replicas de los tajeos, a escala 1/100 y disposición de las muestra.

1.5.3.0. Gestión de donación de muestra de Calcopirita, en las empresas productoras de cobre.

1.5.4.0. Organización del viaje al campo y de los trabajo de laboratorio, con los alumnos que cuentan con proyectos de trabajos de tesis.

1.5.5.0. Operaciones de flujos de aire y agua en la cámara de combustión, con medición de los parámetros buscados.

1.5.6.0. Cálculos físico químicos y estadísticos, para la deducción de los resultados.

1.5.7.0. Informe técnico y económico al Consejo Superior de Investigación de la Universidad.

3.0.0.0. TEXTO

3.1.0.0. Marco Teórico

3.1.1.0. Marco Teórico de Referencia

3.1.1.1. La oxidación de los sulfuros como la pirita, produce emisiones de gases de dióxido de azufre, con la siguiente formulación1: 4Fe S2 + 11O2 → 2FeO3 + 8SO2↑.

* Pauling, Linus. Química General pp.384-620. Editorial Aguilar, Madrid-España (2006).

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3.1.1.2. Una reacción heterogénea (implica dos o más fases), tiene lugar en las superficies (intercaras) de las fases reaccionantes, y pueden hacerse que vayan más rápidas, aumentando la extensión de las superficies. Las velocidades de casi todas las reacciones químicas, dependen en gran parte de la temperatura. Es cierto casi sin excepción que las reacciones se aceleran por aumento de temperatura2

3.1.1.3. Combustión espontánea es… la ignición de un combustible, consistente en aumentar la temperatura de una parte del mismo hasta que la reacción se desarrolle rápidamente; entonces la reacción exotérmica desprende del suficiente calor para elevar la temperatura de otra porción del combustible hasta la inflamación, continuándose de esta forma el proceso3.

3.1.2.0. Marco Teórico del Proyecto de Investigación

3.1.2.1. La oxidación exotérmica de los sulfuros en una mina se inicia dentro de los tajeos debido a la fragmentación de estos minerales, por lo que se genera el incremento de las intercaras o superficies de oxidación.

3.1.2.2. La temperatura de oxidación de los sulfuros en los minerales fragmentados de los tajeos de mina, se incrementa cuando se disminuye o se corta la transferencia de calor por convección.

3.1.2.3. La velocidad del aire mengua la reacción de oxidación o la trunca completamente; si se incrementa esta velocidad, genera la caída de temperatura; así mismo, la masa de 21% de este elemento mezclado con 79% de masa in comburente; en el corto tiempo, sobre las superficies o inter caras parará la reacción y dará lugar a la deficiencia de oxígeno.

3.1.2.4. Lixiviación es: la acción del tratamiento por el disolvente adecuado a una substancia compleja a fin de obtener de ella su parte soluble, nos indica el diccionario de la lengua castellana. En la página 450 del libro Yacimientos Minerales de Rendimiento Económico de Alan Batemam, podemos encontrar referencias acerca de la lixiviación con orientación a la minería, clasificando en tres clases según el

** Ibid .Química General, Capítulo XIX, p.385 ***Ibid. Química General, Capítulo XIX, p.395.

disolvente utilizado como: la lixiviación con ácido sulfúrico se empleó antiguamente en la mina de cobre en Ajo (Arizona) y para sulfatos y oxicloruros en Chuquicamata (Chile), donde el mineral triturado fue sometido a un baño de ácido en tanques revestidos de asfalto; se retiraba después el líquido y el cobre se precipitaba electrolíticamente.

El lixiviado natural se empleaba en las minas Rio Tinto de España, Ohio Copper, de Utah, Ray en Arizona, Chino (Nuevo México) y otros. En este proceso los solventes fueron autogenerados por la acción del agua sobre los minerales sulfurosos oxidantes…En Ray y Ohio Copper se hacía pasar agua por los sulfuros pobres in situ; las soluciones se recogían en túneles de desagüe y precipitaban sobre chatarra de hierro.

También hace referencia sobre el lixiviado de carbonatos de Cobre encerrados en ganga de calizas con el amoníaco y con agua para minerales solubles como la sal común, nitratos, potasa y otros solubles en este disolvente.

Además lixiviación es: El proceso de obtención del componente metálico de un mineral mediante el uso de una solución que contenga una substancia con la cual el componente deseado reaccione para formar especies solubles4. Esta definición estuvo orientada a la metalurgia.

Según John Wells5: Los óxidos se lixivian fácilmente, requiriendo sólo ácido sulfúrico para producir sulfato de cobre. A continuación se muestran las reacciones de lixiviación para la malaquita y la crisocola como en las Eq. (1) y (2):

Cu2CO3 (OH)2 + 2H2SO4

→ 2CuSO4 + 3H2O + CO2 (1)

CuSiO3.2H2O + H2SO4

→ CuSO4 + 3H2O + SiO2 (2)

* MORTIMER CHARLES E. Química, pp. 603-633. Grupo

Editorial Iberoamericana, México D.F., México (1983).

** Wells John. XXI Convención de Ingenieros de Minas,

“Consideraciones importantes en el diseño de plantas de lixiviación de minerales de cobre, extracción por solventes y elector deposición”, pp. 19- 26, Minería 227, Instituto de Ingenieros de Minas del Perú, Lima, Perú. (1992).

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Las reacciones arriba indicadas son rápidas y la disolución del cobre es alta (80%). La lixiviación se completa frecuentemente en el período relativamente corto, generalmente de 20 a 30 días… Sulfuros más complejos tales como la calcopirita pueden reaccionar en forma demasiado lenta en las pilas. Estos pueden ser descritos por las reacciones como en las Eq. (3), (4) y (5):

CuFeS2 + Fe2 (SO4)3 + (bacterias)

→ CuSO4 + 2 FeSO4 + FeS + S0 (3)

S0 + H2O + 1,5 O2 → H2SO4 (4)

2 FeSO4 + H2SO4 + 0,5 O2

→ Fe2 (SO4)3 + H2O (5)

Agrega: Mientras las bacterias son herramientas poderosas para las operaciones de lixiviación, las condiciones inadecuadas de lixiviación pueden reducir severamente u obstaculizar las recuperaciones económicas del metal.

La tecnología a la que alude este experto autor, es la lixiviación bacteriana y debe ser la adecuada para manipular la eficiencia de la recuperación de valores, en las pilas con baja ley de cabeza, acumuladas durante el desbroce de las operaciones a cielo abierto, porque en la superficie, a diferencia de las operaciones de subsuelo, no se pueden controlar las corrientes de convección para elevar la temperatura de la masa de minerales oxidados; en cambio en Cerro de Pasco, en el Stock Pile Nº 2 utilizábamos las colas de la planta de precipitado de cobre de Excélsior, bombeando con alto grado de acides y temperatura cerca a los 27º C, obteniéndose altas recuperaciones de valores para precipitar en la planta de Jaracalsón.

3.2.0.0. Aplicación Práctica en la Explotación de

Minas

3.2.1.0. Aplicación en el Sistema de Minado Subterráneo Convencional

Hasta la década de los años 70 se explotaron el cobre en las minas Morococha en menor escala y Excélsior de Cerro de Pasco con mejor tecnología y éxito, a pesar del empirismo con la que se ejecutaba la lixiviación en el subsuelo.

Parece que por casualidad, se observaron los flujos de aguas de colores verdes y azules de los tajeos antiguos, las que con seguridad se ensayaron, en los laboratorios de las respectivas minas; con los antecedentes de la explotación de los sulfatos de cobre, precipitándose con chatarra de hierro, en las minas de los Estados Unidos de Norte América, se lograron diseñar las plantas de precipitado de Cu, en Morococha y Cerro de Pasco.

La procedencia de la Melanterita y la Calcantita, fueron de los tajeos antiguos explotados por el método de Shrinkage, que por sus bajas leyes no se extrajeron totalmente.

Con este antecedente, en yacimientos filoneanos de cobre, con leyes marginales o de alta rentabilidad, se podrían desarrollar sólo galerías, cruceros y chimeneas, previo estudio y diseño, con el objetivo de extraer el cobre mediante la lixiviación. Una vez desarrollada la mina se debería sólo realzar el techo de las galerías, a fin de darle expansión al mineral fragmentado. Las chimeneas, los realces de las galerías y la fragmentación del mineral, se deberían efectuar con taladros largos perforados de nivel a nivel o desde la superficie, con máquinas DTH y fragmentados mediante la teoría de cargas esféricas; para luego, controlar y manipular la ventilación6 y el drenaje del agua; con esta operación, se puede inducir la oxidación de los sulfuros, la transferencia a sulfatos y la lixiviación de estos sólo con agua7, así mismo, drenar esta solución por un túnel de la cota más baja, hacia la planta de precipitación electrolítica.

3.2.2.0. Aplicación en la Recuperación de los Pilares de las Rampas en el Sistema de Minado Subterráneo con Rampas (Trackless Mining)

Una vez desarrollada la mina, utilizando el equipamiento y métodos de desarrollo adecuado para al sistema Trackless, debe seguirse la secuencia de los pasos a fin de llevar a cavo la lixiviación planificada y sistemáticamente, previo

*Toledo G., Enrique y otros. I Congreso Internacional de

Metalurgia Extractiva. “Determinación de Temperaturas Críticas de la Oxidación de los Sulfuros Reguladas por la Velocidad del aire para Controlar la Lixiviación in situ del Cobre en el Subsuelo” 14- pp. 3 al 16. Anales del I Congreso. Tacna, Perú. (2 010).

**BATEMAN, ALAN.2008.Yacimientos Minerales de Rendimiento Económico, pp.558 al 561.Ediciones Omega, S.A. Barcelona, España. (2008).

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estudio del yacimiento, leyes de las a diferentes áreas mineralizadas, características en cuanto a textura y estructura de los depósitos mineralizados.

Con este sistema de extracción se desarrollarían mucho menos kilómetros de rampas, sólo lo necesario para acceder de un nivel a otro, si la mineralización se aleja demasiado de la superficie.

En caso de los yacimientos explotados por otros métodos de explotación, como el Hundimiento por bloques (Block Caving), o Hundimiento por Subniveles, o Tajeado por Subniveles, o Hundimiento por Tramos Horizontales (Top Slicing), o simplemente por Corte y Relleno Ascendente, se puede aplicar la lixiviación en la recuperación de pilares y puentes; como el caso de la mina Cobriza8, donde se tiene este problema. En la mina que hoy pertenece a Doe Run, con toda facilidad se podrían recuperar los pilares de de las rampas, primero y luego los puentes de los tajeos, mediante la lixiviación controlada y manipulada por la ventilación de mina.

La operación consistiría en efectuar perforaciones con perforadoras DTH, empleando taladros de 23 mm de diámetro, espaciados cada 1,50 m., para el Drop Raise y las demás a 3 m. de espaciamiento similares a lo que se hizo en la mina Monterrosas9. De acuerdo a la ingeniería de detalle, se podrían hacer perforaciones cada 45 m. ó 90 m. de diferencia de cotas y con 44º 21' ó 44º 40' de inclinación respectivamente, para no alejarse de la caja piso; la fragmentación se debe efectuar con el uso de explosivos de alta velocidad de detonación, mediante la teoría de las cargas esféricas.

Una vez realizada la fragmentación, se procedería a cerrar las puertas de ventilación de los tramos en reposo e infiltrar el agua, que hay en abundancia en esta mina, hasta ver fluir el sulfato de cobre lixiviado, abriendo las puertas de ventilación e incrementar el flujo de agua para lavar los restos de Calcantita y evitar el incendio espontaneo, mientras al mismo tiempo se cierran

* Toledo G., Enrique. Ingeniería de la Explotación de Minas en

el Sistema de Minado Subterráneo con Rampas. pp. 180-242. Fondo Editorial Universidad Nacional Mayor de San Marcos, Lima, Perú (2010).

**Ibid. Ingeniería de la Explotación de Minas en el Sistema de

Minado Subterráneo con Rampas. pp. 264-276.

las puertas de ventilación en otras áreas de lixiviación, ciclándose las operaciones de esta manera, en las diferentes áreas según el planeamiento de minado.

3.2.3.0. Aplicación en la Explotación del Cobre a Cielo Abierto.

En yacimientos de cuerpos porfiríticos de gran volumen y leyes bajas (ver apéndice) , no se tuvo otra alternativa que diseñar y operar la mina por el sistema de minado a cielo abierto (open pit), generando altos impactos ambientales y costos elevados en la recuperación del cobre, pagando por la concentración de la mena, la fundición y la refinación electrolítica. Ahora, con este trabajo de investigación y la propuesta que hacemos para poner en práctica una operación mucho más rentable y con mucho menos impacto ambiental, con la que podrían trabajar mucho más minas en el Perú, en Centroamérica, el Canadá y toda Europa.

Las condiciones favorables para operar minas con esta propuesta son: cerca al yacimiento, se debe contar con abundante agua y una quebrada para acceder a la cota más baja del yacimiento mediante un túnel, con la finalidad de drenar la solución de sulfato de cobre hacia la planta de electro deposición; luego, a 60 m. ó 90 m. por encima del túnel de drenaje se podrían perforar dos o más túneles según los diseños de ingeniería conceptual y de detalle, con los objetivos de inyectar aire y realzar las zonas mineralizadas, para dejar el espacio adecuado al abundamiento del mineral fragmentado; pero estos cortes de realce, se efectuarían después de la perforación de chimeneas y taladros para la fragmentación, desde la superficie del yacimiento hasta los túneles de acceso y ventilación. Estas chimeneas se perforarían con máquinas DTH o Raise Borer, según el caso lo justifique (ver Ilustración Nº 3 del apéndice). El número de las chimeneas estarían en función al diseño de ventilación y las dimensiones del yacimiento; con la finalidad de ciclar, en las diferentes áreas de explotación, las condiciones de temperatura ambiental, controladas por las corrientes de convección que serían manipuladas con el flujo de de aire de los ventiladores. Una vez preparadas estas labores, limpiado y beneficiado el mineral de los realces; se procederá a efectuar las mediciones de temperatura del aire al ingreso de los túneles, en las cámaras de caída del mineral fragmentado y en las chimeneas de exhalación;

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luego de hacer los reajuste en los flujos de aire, mediante las puertas de ventilación, se procederá a infiltrar el agua desde la superficie, operando adecuada y pertinentemente al diseño, tratando de obtener los objetivos del flujo de las soluciones de sulfato de cobre y sus leyes, a fin de generar una alta rentabilidad en la producción.

La planta electrolítica de recuperación del cobre se ubicaría muy cerca a la entrada del túnel de drenaje, las colas del tratamiento, con contenidos de acido sulfúrico, sulfatos férrico [Fe2 (SO4)3] y ferroso [FeSO4.7H2O] diluidos en agua, serían bombeados hacia la superficie del yacimiento, para su recirculación y reactivación de la lixiviación; de manera que no fluya hacia el ambiente biótico.

3.2.4.0. Análisis de la Simplificación de las Operaciones y la Productividad en la Explotación a Cielo Abierto de una Supuesta Mina de Cobre

Para visualizar los problemas y plantear la solución en la extracción del cobre metálico, a partir del sulfato de cobre (calcantita) obtenido in situ a partir de la oxidación de la calcopirita, seguiremos la secuencia lógica de una operación supuesta; por ejemplo: si asumimos que una mina con una operación de extracción a cielo abierto de 60 000 t/día y 0.50% Cu, de ley de cabeza. Para obtener esta producción, previamente se tendrá que perforar y volar roca estéril y ganga, en la proporción de 3 t de desmonte por 1 t de mineral extraído, con el consecuente consumo de energía eléctrica, acero de perforación, explosivos y sus accesorios, labor; los costos de mantenimiento y reparación de equipo. Luego se efectuará el transporte de mineral a la concentradora, de esta, a la fundición y refinación, obteniéndose el cobre de exportación con una ley de 99,98%, y con los consecuentes gastos por: concentración, fundición y refinación. También la empresa tendrá gastos en el transporte del desmonte (Stripping), relaves y escorias. Seguidamente se muestran cuatro tablas:

Tabla Nº 1.Producción y leyes

Operación Producción (t)

Leyes (%Cu)

Mina 180 000,00 0,00 Mina 60 000,00 0,50 Concentradora 867,86 28,00 Fundición 243,00 98,50 Refinería 239,31 99,98

Fuente: Calculado con los parámetros de Producción de Centromín Perú

En la tabla Nº1, se muestra las producciones con sus respectivas leyes de: mina, concentradora y la fundición... Las tablas Nº 2, 3 y 4 están partidas de una sola por falta de espacio horizontal; todas indican las cantidades de residuos sólidos y líquidos, en cada una de las operaciones, como: de minado, concentración y fundición; para calcular los costos en transporte, disposición y remediación del impacto ambiental, que podrían producir en los espacios geográficos de la biosfera.

Tabla Nº 2. Escombros, relaves y escoriales generados por la producción en (t).

Operación Escombros en (t) Mina 180 000 t / 2,4 t/m3 Mina Concentradora 59 132 t / 3,0 t/m3

Fundición 267 t / 2,7 t/ m3 Refinería Total Escombros 239 967 t/día

Fuente: Calculado de la producción y leyes

Tabla Nº 3. Escombros, relaves y escoriales generados por la producción en m3.

Operación Escombros en (m3) Mina 75 000 m3 Concentradora 19 711 m3

Fundición 99 m3 Refinería Total Escombros 94 810 m3 /día

Fuente: Calculado con la gravedad específica de rocas y minerales fragmentados

Tabla Nº 4. Emisión de aguas ácidas.

Operaciones Agua Acida Mina Concentradora 1 591 l/s Fundición Refinería 489 l/s Total 2 080 l/s

Fuente: Calculado con los parámetros de Producción de Centromín, Perú en litros sobre segundo (l/s)

Todos estos pasos para extraer y beneficiar el cobre a partir de la calcopirita; con la propuesta de extraer el cobre por lixiviación solo con agua, induciendo las reacciones químicas de oxidación y obtención del sulfato de cobre in situ, regulando con la ventilación de mina; se simplificaría sólo a la fragmentación del mineral en el subsuelo y la infiltración de agua dulce, por los taladros desde la superficie, la recolección y drenaje de la solución de sulfato de cobre caería por gravedad hacía el

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túnel de drenaje, hasta la planta de beneficio por electrodeposición.

La inversión inicial constaría de: 1º la ejecución de un túnel de drenaje y reconocimiento del yacimiento por la cota más baja, 2º la ejecución de dos o más túneles de ventilación, a sesenta o noventa metros por encima del túnel de drenaje, la perforación de dos o más chimeneas de ventilación, ejecutadas desde la superficie hasta los túneles de ventilación y una hasta el túnel de drenaje para la transferencia de la solución hasta esta labor.

3.2.5.0. Parámetros para el Diseño de una Planta de Electro Deposición

Para lograr la producción de 240 t/día de cobre con una ley de 99,98%, se requerirá un flujo de solución 2 625 l/s con una ley de cabeza promedio de 1,16 g/l de Cu, un máximo de 4% de Fe y un pH de 1,80; si se cuenta con menos agua se tendría que elevar la ley de cabeza, según la disponibilidad del volumen del lixiviante, las colas no deben tener una ley superior a 0,10 por ciento de Cu10, según los parámetros logrados en las operaciones lixiviadas en la mina Excélsior de Cerro de Pasco en 1 974 y que sirvieron para diseñar la planta de electro deposición en esta mina.

El manejo de las operaciones mineras y de recuperación metalúrgica, debe estar a cargo de ingenieros con las pertinentes competencias profesionales, para garantizar el éxito en la obtención de los objetivos. Como se puede apreciar en las tablas Nº 5 y Nº 6 de los apéndices.

4.0. CONCLUSIONES

4.1. En una mina subterránea o en un túnel con chimeneas, se puede controlar la temperatura geotérmica y el calor generado por la oxidación de los elementos con avidez por el oxígeno en minerales y rocas, mediante la instalación de

*Rodríguez, W (Jefe General – Agua de Mina). Operación de la

Planta Agua de Mina, Memorándum Interno al Presidente del Directorio Ing. Oscar Posadas, Centromín Perú S.A, Cerro de Pasco, Perú. 1991. Enrique Toledo-Universidad Nacional Mayor de San Marcos. Jr. Cuba nº 105, Santa Patricia, La Molina, Lima, Perú (2012) – E. Toledo, Jirón Cuba Nº 105, Santa Patricia, La Molina, Lima, Perú.

ventiladores y puertas de ventilación, para manipular la temperatura ambiental.

4.2. La temperatura ambiental y la humedad son ambas condiciones para acelerar o retardar las reacciones químicas de oxidación y demás combinaciones del vapor de agua, con los elementos componente de los minerales y las rocas, evidenciado por la teoría cinética de los gases.

4.3. El incremento de la oxidación de los minerales y las rocas depende de las superficies expuesta al aire para que se inicie la oxidación; cuanto mayor sea la superficie que exponga un mineral, mayor será su oxidación; por ejemplo, la galena se oxida más rápido que la calcopirita, debido a sus sistemas de cristalizaciones y hábito; por lo tanto desprenderá mayor cantidad de SO2.

4.4. La velocidad de oxidación y la combinación de los elementos constitutivos de los minerales, el oxígeno y el agua, para pasar de sulfuros a sulfatos y el tiempo que duran estos procesos; dependen de la temperatura ambiental y las corrientes de convección.

4.5. La oxidación de los sulfuros y las reacciones para pasar al estado de sulfatos en el interior de mina, se puede efectuar en un corto tiempo, dependiendo de la dinámica del aire, a fin de que el calor de reacción no se transfiera al exterior; para incrementar la temperatura ambiental hasta el límite requerido. Una vez que se inicie el flujo de agua con las coloraciones que evidencian la presencia de sulfatos en solución; se debe incrementar el flujo de aire y de agua, para lavar los sulfatos adheridos a las intercaras, o superficies reaccionantes de los sulfuros, y evitar la producción de incendios.

4.6 Es preciso ciclar las aéreas de lixiviación en la mina, cambiando los flujos de aire y agua, entre las áreas que se encuentren en proceso de reacción y las que están en proceso de lavado, para poder obtener una producción constante en cuanto al flujo del volumen de agua en litros por segundo (l/s) y las leyes de cobre en gramos por litro (g/l).

4.7. Con este sistema de extracción del cobre,

como alternativa para reemplazar el sistema de

explotación a Cielo Abierto, se podrá eliminar totalmente: la generación de “Stripping”; el agua

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contaminada de las escombreras, concentradoras

y refinerías de cobre; la generación de ruidos,

polvos y gases que producen la fragmentación del

Stripping y el mineral.

4.8. Con el sistema de lixiviación del cobre los

logros económicos se deberán a: la eliminación del

transporte y disposición de escombros; la

eliminación del transporte del mineral; la

eliminación total del proceso de concentración y

fundición; así mismo, a la disminución de los costos

en remediación ambiental.

4.9. Hay soluciones técnicas viables para revertir los problemas generados por la industria minera nacional, antes de que crezcan como en el país que va a la vanguardia de la civilización, la tecnología y el poderío militar. En los Estados Unidos de Norte América, hay muchas empresas mineras que han quebrado, porque tanto el gobierno federal como los estatales han enjuiciado a estas empresas, que pese a que han cerrado en la década de los 50 del siglo pasado; hasta hoy, en las cuencas y valles por donde discurrieron las emisiones tóxicas de sus deshechos, están sembrando desolación y muerte11.

5.0.0. AGRADECIMIENTOS

Deseo expresar mi agradecimiento, al señor Presidente de Doe Run Doctor Juan Carlos Huyhua Mamani y al Superintendente de ingeniería y geología de la mina Cobriza (Doe Run), ingeniero Raúl Portocarrero Sánchez, por su gran receptividad y entusiasmo a nuestra demanda, habiéndonos donado generosamente gran cantidad de muestra de mineral, para efectuar los estudios en nuestro laboratorio. De la misma manera, queremos expresar nuestro agradecimiento, al ingeniero Óscar Gonzales Rocha Presidente de Southern Perú Copper Corporation y el ingeniero Christian Concha Melo, Metalurgista de Toquepala (Southern), también por la donación generosa de sus muestra, para efectuar los estudios en el laboratorio de mecánica de fluidos y ventilación de

*National Geographic. National Geográphic: “El Legado de la

Minería Metálica”, pp. 77-95, Marzo L.6, Nº 3, Revista oficial de National Geográphic Society, México D.F, México.(2 000)

mina de la Escuela Académico Profesional de Ingeniería de Minas de la Universidad Nacional Mayor de San Marcos.

Al Vicerrectorado de Investigación, el Consejo Superior de Investigación y el Instituto de Investigación de la Facultad de Ingeniería Geológica, Minera, Metalúrgica, Geográfica y Civil, de la Universidad Nacional Mayor de San Marcos, por el apoyo brindado a mis investigaciones; así mismo, a los señores ingenieros Honorio Santiago Campoblanco Díaz, decano de dicha facultad y Alfonso Alberto Romero Baylon, director de la Escuela académico Profesional de Ingeniería de Minas, por las facilidades incondicionales para participar en este evento profesional; también no puedo soslayar mi gratitud, a los miembros y colaboradores de mis proyectos de investigación, ingenieros Pablo Antonio Núñez Jara, Elard Felipe León Delgado, Gerardo Mendoza Delgadillo, Sósimo Fenardas Salinas y Mario Fernando Cedrón Lassus.

Mi especial reconocimiento al Capítulo de Ingeniería de Minas del Colegio de Ingenieros del Perú, en las personas de los ingenieros de minas Gustavo Luyo Velit, presidente de la comisión organizadora del 9º congreso de minería y Jaime Tumialán De la Cruz, presidente de sesiones técnicas, por haberme dado la oportunidad de expresarme con la verdad, en beneficio de la actividad minera en el Perú y el mundo.

REFERENCIAS

1. Pauling, Linus. Química General pp.384-620. Editorial Aguilar, Madrid-España (2006).

2. Mortimer, Charles E. Química, pp. 603-633. Grupo Editorial Iberoamericana, México D.F., México (2 009).

3. Wells, John. XXI Convención de Ingenieros de Minas, “Consideraciones importantes en el diseño de plantas de lixiviación de minerales de cobre, extracción por solventes y electro deposición”, pp. 19- 26, Minería 227, Instituto de Ingenieros de Minas del Perú, Lima, Perú (1992).

4. Toledo G., Enrique; Nuñez J., Pablo; León D. Elard y Cedron L., Mario. I Congreso Internacional de Metalurgia Extractiva. “Determinación de Temperaturas Críticas de la Oxidación de los Sulfuros Reguladas por la Velocidad del aire para

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Controlar la Lixiviación in situ del Cobre en el Subsuelo” 14 - pp. 3-16. Anales del I Congreso, Tacna, Perú (2010).

5. Bateman, Alan. Yacimientos Minerales de Rendimiento Económico, pp.558 al 561.Ediciones Omega, S.A. Barcelona, España (2008).

6. Toledo G., Enrique. Ingeniería de la Explotación de Minas en el Sistema de Minado Subterráneo con Rampas. pp. 180-242, 264-276. Fondo Editorial de la Universidad Nacional Mayor de San Marcos e Instituto de Ingenieros de Minas del Perú, Lima, Perú (2010).

7. Rodríguez, W. (Jefe General – Agua de Mina). Operación de la Planta Agua de Mina, Memorándum Interno al Presidente del Directorio Ing. Oscar Posadas, Centromín Perú S.A, Cerro de Pasco, Perú (1991). E. Toledo, Jirón Cuba, Santa Patricia, La Molina, Perú.

8. Toledo G., Enrique, (Jefe de Zona de Lixiviación y Planta de Precipitado de Cobre). Reporte de Producción de los meses de mayo a julio Memorándos Interno al Capitán de Minas Ing. Heraclio Ríos, Centromín Perú S.A, Cerro de Pasco, Perú (1974). E. Toledo, Jirón Cuba, Santa Patricia, La Molina, Perú.

9. National Geographic. National Geográphic: “El Legado de la Minería Metálica”, pp. 77-95, Marzo L.6, Nº 3, Revista oficial de National Geográphic Society, México D.F, México (2 000)

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APÉNDICES

Ilustración Nº 1. Cuerpo Mineralizado bajo la superficie, en exploración.

Ilustración Nº 2. Cuerpo Mineralizado Explotado a Cielo Abierto (Open Pit)

Eje de Cuerpo Mineralizado

↓

Ilustración Nº 3. Propuesta de Solución: la

lixiviación

Tabla Nº 5. Parámetros de Diseño de la Planta de Extracción por Solventes y Electrodeposición de

Cerro de Pasco, Centomín Perú S.A. Basado en la producción de julio1974.

Parámetros Unidad Cantidad Flujo l/s 202,00

L. de Cabeza Cu % 1,16 L. de Cabeza Fe % 4,00 Grado de acidez pH 1,80

Raffinato Cu g/l 0,10 Extracción % 91,00

Concentración % 4,50 Producción t 6 500,00

*Fuente: Toledo G., Enrique, (Jefe de Zona de Precipitado de Cobre).1974. “Reportes de Producción de los meses de mayo a julio” Memorandum Interno al Capitan de Minas Ingº Heraclio

Rios, Centromín Perú S.A, Cerro de Pasco, Perú.

Tabla Nº 6. Producción de la década 1981 – 1991 de la planta de Extracción por Solventes y

Electrodeposición de Cerro de Pasco Centomín Perú S.A. (Reducido a los años extremos y al de

mayor producción 1984)

Parámetros Unid. 1981 1984 1991 Flujo l/s 98,45 169,24 130,89

L. de Cabeza Cu % 0,75 0,82 0,43 L. de Cabeza Fe % 7,80 10,90 10,50 Grado de acidez pH 1,44 1,28 1,34

Raffinato Cu g/l 0,47 0,12 0,10 Extracción % 43,4 85,4 76,7

Concentración % 2,79 2,96 2,16 Producción t 425 3 854 749

*Fuente: Rodríguez, W (Jefe General – Agua de Mina). 1991. “Operación de la Planta Agua de Mina”. Memorándum Interno al Presidente del Directorio Ing. Oscar Posadas, Centromín Perú S.A, Cerro de Pasco, Perú. (Informe de la década de operación

1981 a 1991)