Cámaras y Pilares

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CAMARAS Y PILARES

PRINCIPIOS DEL METODO

El método de explotación Cámaras y Pilares, consiste como su nombre lo indica, en la explotación de caserones separados por pilares de sostenimiento del techo. La recuperación del pilar puede ser parcial o total, en este último caso, la recuperación va acompañada del hundimiento controlado del techo que puede realizarse junto con la explotación o al final de la vida vida del del yacim yacimie iento nto,, lógi lógica came ment ntee el hund hundim imie ient nto o del del tech techo o en este este caso caso es tota totalm lmen ente te controlado. Nosotros haremos hincapié a los métodos sin hundimiento de techo. En un principio la distribución de los pilares se realizaba en forma irregular, hoy en día, debido al avance de la tecnología, es posible prever o planificar la localización de los  pilares  pilares.. APLICACIONES

1. Criaderos Criaderos horizont horizontales ales o con con poco poco buzamien buzamiento, to, máximo máximo de unos 30º 30º . 2. Roca Roca establ establee en el techo techo y el el miner mineral. al. Debe hacerse resaltar que la estabilidad del mineral y el techo es un concepto flexible en este aspecto. El aumento de las dimensiones de los pilares y la reducción de la anchura de las cámaras compensará las malas condiciones de las rocas. Sin embargo se sacrifica la recuperación, ya que se deja una gran parte del criadero para fortalecer el techo. El anclaje del techo es una técnica que mejorará la estabilidad del techo y que se usa mucho en la explotación  por cámaras cámaras y pilar pilares. es. El método de cámaras y pilares es el único que es practico para explotar capas horizontales de poca potencia. Este método se usa mucho en la explotación de depósitos estratificados estratificados de origen origen sedimentario sedimentario tales como esquistos mineralizados mineralizados de cobre y minerales minerales industriales como caliza, sal, potasa y carbón. Se ha aplicado el método con éxito hasta con una  potenci  potenciaa de 40−60 m, pero las potencias corrientes son entre 2 y 20 m.

SUBDIVISIONES DEL METODO

Al método lo podemos subdividir en tres sistemas distintos de explotación por  cámaras y pilares. A ) EXPLOTACION PLANA POR CAMARAS Y PILARES Preparación :

En yacimientos planos o casi horizontales se requiere solo un mínimo de trabajos de prepara preparació ción n para para la explota explotació ción. n. Se requie requieren ren galería galeríass para el transpor transporte te del minera minerall

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excavado, y comunicación entre las áreas de trabajo. estas pueden ser combinadas con la extracción misma del mineral y los tajos ya explotados se pueden usar como vías de transporte.

Producción :

La operación de perforación−voladura en la explotación plana por cámaras y  pilares puede ser comparada a la perforación y corte de galerías, donde la anchura y la altura del tajo corresponden a las dimensiones de la galería. En general se pueden usar jumbos grandes de  perforación de producción. En criaderos masivos no se excava necesariamente la potencia total del criadero en una fase. La extracción comienza normalmente con la sección superior. durante esta fase se realiza el anclaje y el control del techo. El mineral restante se explota por bancos en una o mas fases. se pueden usar equipos de perforación sobre orugas para la perforación de barrenos verticales o inclinados. El banco se puede perforar también con barrenos horizontales usando  jumbos de perforación regulares. Manejo y Transporte del Mineral :

El mineral volado se carga directamente en los frentes del tajo, frecuentemente con cargadoras de accionamiento diesel. Se usan distintos sistemas de transporte dependiendo del espacio disponible y la distancia de transporte. Donde es suficiente la altura de los tajos se  pueden usar camiones de capacidad apropiada para obtener un transporte económico del mineral. Hay vehículos especiales de diseño bajo para el transporte del mineral en alturas bajas, y para criaderos de aún menos potencia se puede aplicar la técnica de carga − acarreo − descarga ( LHD ). El hecho de que el mineral tiene una gran extensión horizontal y que la producción se lleva a cabo en un gran número de frentes que se extienden por una gran área requiere el uso de equipos de explotación con alta capacidad de movimiento.

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Comentarios:

La explotación por cámaras y pilares de criaderos planos o casi horizontales es un método que favorece el uso de equipos mecanizados. La disposición de la mina es esquemática, se pueden establecer varias áreas de producción y la comunicación es simple. Todos son factores que forman la base de una alta utilización de tanto hombres como maquinaria en un  proceso eficaz de explotación.

B ) EXPLOTACION INCLINADA POR CAMARAS Y PILARES

Preparación:

La preparación de un criadero inclinado para la explotación por cámaras y pilares requiere normalmente de niveles horizontales a intervalos verticales. A cada nivel se prepara una galería de transporte, siguiendo el contacto del muro del criadero. Las galerías de transporte sirven tanto para el acceso a las áreas de producción como para el acarreo del mineral explotado al pozo de elevación. Producción:

La explotación comienza de los niveles horizontales y sigue hacia arriba, a lo largo del buzamiento, hasta que se encuentre el nivel siguiente. La perforación se realiza con  perforadoras con patas empujadoras y se avanza el tajo con barrenos arreglados en forma de corte. El fondo inclinado y desigual impide la aplicación de equipos mecanizados. Esto significa que el método de explotación inclinado por cámaras y pilares requiere un contenido mas alto de esfuerzos manuales que muchos otros métodos de minería.

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Manejo y Transporte del Mineral:

El fondo inclinado del tajo hace que las cucharas de arrastre sean el sistema dominante para arrastrar el mineral excavado hacia abajo a un punto donde pueda ser  transferido a vagonetas de minas para transporte al pozo. Comentarios:

La consecuencia del buzamiento desfavorable es un sistema de explotación que requiere mucha mano de obra y ofrece pocas aberturas para mecanización. se han hecho intentos de desarrollar alternativas que mejoraran la eficacia. La explotación en etapas que se describe a continuación está diseñada para completar el método tradicional de explotación inclinada por cámaras y pilares.

C ) EXPLOTACION EN ETAPAS POR CAMARAS Y PILARES

Preparación:

El sistema de explotación en etapas está basado en la utilización de equipos móviles que no van por carriles en vez del acarreo sobre carriles que se ha descripto antes. El método saca provecho de que los vehículos son capaces de desplazarse hacia arriba y hacia abajo por fondos inclinados. Las galerías para acceso a las áreas de explotación están orientadas

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en el plan de explotación para atravesar el criadero a una inclinación predeterminada, correspondiendo a la capacidad de trepar de las máquinas móviles. Producción:

La extracción del mineral comienza con galerías horizontales que se derivan de las galerías de acceso. Estas galerías de tajo están hechas para seguir de cerca el límite de mineral (techo). La secuencia siguiente de extracción de mineral será de empezar una operación similar  de perforación o corte adyacente y paralela a la primera galería, a un nivel inmediatamente por  debajo. Este procedimiento se repite después y la extracción del criadero desciende hacia abajo,  paso a paso. Durante la operación de explotación se deben tomar recaudos para dejar secciones del mineral para pilares que pueden complicar la excavación. La extracción del mineral se realiza sin embargo en tajos con fondos casi planos que están interconectados por las galerías de acceso inclinadas. Estas condiciones permiten el uso de equipos mecanizados móviles. La  perforación por ejemplo puede realizarse de forma convenientes con jumbos móviles para la  perforación de galerías. Manejo y Transporte del Mineral:

El método de manejo y transporte del mineral coincide con los sistemas aplicables  para yacimientos horizontales. El mineral se recoge en el frente y se lleva al poso de elevación u otro punto de transferencia. El equipo depende del espacio y la altura libre y será de camiones a cargadoras LHD (carga−acarreo−descarga). Comentarios:

Este sistema de cámaras en etapas es una idea relativamente reciente. La variante de cámaras en etapas tiene potencial como un enfoque eficaz y modernos a criaderos de mina donde el buzamiento ha sido tradicionalmente un obstáculo a la mecanización, a pesar de que no se puede generalizar por completo su aplicación para criaderos inclinados. SOSTENIMIENTO DEL TECHO

Es un problema delicado y debe tomarse con cuidado al proyectar una explotación  por este método. La estabilidad del techo va a definir la distancia y sección de los pilares, y ancho de los caserones (influida naturalmente por la potencia del yacimiento). A su vez la densidad de  pilares influirá fuertemente sobre la recuperación del yacimiento.  No hace muchos años atrás, la experiencia del comportamiento del terreno era la única manera de establecer una distancia máxima entre pilares, lo que se obtenía después de varios años de explotación del yacimiento. Hoy en día existe una ayuda, que una manera u otra coopera con el explotador de minas a la solución de este problema mediante el estudio de la mecánica de rocas. Puede decirse que es una rama relativamente nueva, actualmente en desarrollo, que da ciertas normas o guías en el estudio del problema de la luz máxima entre  pilares y la sección mas conveniente. Para resolver el problema es necesario realizar una serie de experiencias que toma en cuenta las observaciones siguientes : 1. La variación de la carga sobre el pilar con respecto al tiempo.

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2. La variación de la deflexión del techo al variar la luz entre pilares. 3.

La variación de los ruidos micro−sísmicos.

4. La resistencia de la roca a la tracción y compresión. 5. La distribución y orientación de los planos de diaclasas, estratificación y otras estructuras, y 6. Otras pruebas que sean necesarias hacer. 1. La primera de las observaciones, se refiere al estudio del comportamiento del pilar al ir  absorbiendo la carga del techo. Es natural que una zona virgen sin explotar soporte el peso del techo en un área determinada y que al entrar en explotación, esa misma carga, se reparte en una sección mucho mas pequeña correspondiente al área de los pilares de sostenimiento. 2. La variación de la deflexión del techo es posible controlarla midiendo la convergencia entre el piso y techo con instrumentos adecuados. La variación de la deflexión del techo va a depender principalmente de las características mecánicas de la roca (resistencia a la tracción) y además de la luz entre los  pilares. 3.

Ruidos micro−sísmicos. Actualmente es posible detectar los ruidos microsísmicos que acompañan a toda la estabilidad de techos. La frecuencia normal con que se producen en cualquier etapa de la explotación es fácilmente medible, y comparable con los casos en los que se producen aumentos repentinos de la frecuencia produciendo finalmente derrumbes de techos. 4. El comportamiento mecánico de las rocas a la tracción y compresión es muy importante  para las consideraciones sobre resistencia y obtención de los gráficos respectivos (círculo de Mohr) Estos valores de resistencia obtenidos por lo general por pruebas de testigos en el laboratorio, deben tomarse con mucho cuidado para su interpretación, ya que las condiciones de trabajo de la roca in situ es muy diferente al comportamiento durante la prueba de laboratorio. Esto se explica fácilmente si se comparan las magnitudes sobre las cuales se opera (roca in situ y testigo de prueba). Por otra parte al tomar la masa rocosa como un elemento resistente, esta está afectada indudablemente por un sin número de factores que limitan aún mas las  precauciones que deben tenerse y que han sido aludidas anteriormente; por ejemplo: las estructuras tales como fallas, diaclasas, junturas, alteraciones, planos de clivaje, etc., influyen notablemente sobre la resistencia. MODO DE MANTENER LA ESTABILIDAD DEL TECHO

Un techo que se desprende con facilidad por efecto de los disparos, u otras causas, trae como consecuencia problemas no solo de dilución de la ley sino también en la seguridad del personal, material y por ende en los costos de producción. Es posible asegurar la estabilidad del techo mediante un apernado que puede ser hecho en forma sistemática o solamente en aquellos sectores donde las condiciones lo requieran. Para que el apernado sea efectivo, deben tomarse ciertas precauciones en cuanto a la seguridad y a la certeza de fijarse por intermedio del  perno la parte débil del techo con una parte sólida. Para ello debe conocerse muy bien la naturaleza de las rocas del pendiente, lo que determinara la sección, largo y densidad en la

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colocación de los pernos. Por otra parte deberá determinarse a través de estudios de prueba en el terreno mismo, el apriete deberá dársele a los pernos para que cumpla realmente el papel que deben desempeñar. Debe tenerse presente que un perno mal colocado no desempeña ninguna función de fortificación, lo mismo sucede si el largo y sección no son adecuados. Suele acompañarse el apernado en algunos casos, con un enmallado del techo, reteniéndose en la malla trozos sueltos de roca, que, cuando los caserones son altos, su caída  produce accidentes de consideración. En algunos casos el apernado ha podido establecer mayores luces en las cámaras, la que se traduce como un incremento de la recuperación.

COSTURA DEL TECHO

En algunos casos donde es justificable, el apernado puede reemplazarse por una costura del techo con cable de acero de media pulgada, junto con una inyección de cemento especial dentro de los barrenos perforados verticalmente. Esta costura tiene sus extremos anclados al techo, o en la arista definida por el techo y el muro.

DISTRIBUCION DE LOS PILARES

Debe hacerse lo mas sistemáticamente posible que se pueda, cuidando de no arriesgar la vida de la mina. En yacimientos que se presentan en forma de dos mantos separados, por una zona estéril y que se explotan en forma separada dejando una losa entre los caserones, debe tenerse especial cuidado de que los pilares se encuentren alineados según la proyección vertical, es decir que la carga del pilar de arriba sea transmitida al pilar inmediatamente ubicado debajo, y no, que la carga sea transmitida a la losa. Así no deben dejarse pilares sobre galerías principales de explotación ya que la carga soportada por el pilar es transmitida al techo de la galería, lo que lógicamente hará necesario con el tiempo un mantenimiento de la galería si no se produce el derrumbe. Todas estas consideraciones se deben como es sabido a que las rocas tienen una resistencia mucho mas pequeña a la tracción comparada con su resistencia a la compresión.

FORTIFICACION DE LOS PILARES

Una de las causas principales del debilitamiento de un pilar a través del tiempo, es debido al efecto del sistema de diaclasas. Cuando los planos de las diaclasas forman un ángulo con respecto al eje de carga del pilar, es posible fortificar el pilar con pernos colocados normalmente a los planos de diaclasa. En algunos casos se acompaña el apernado con un ensanchamiento del pilar (los zunchos de hacen con pletinas de hierro o cables). Estas tienen por objeto aumentar la fuerza de roce entre los planos de clivaje, evitando el deslizamiento de las capas. Cuando las diaclasas están dispuestas normalmente al eje de carga, el efecto es menor.

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Si las diaclasas se presentan paralelas al eje de carga del pilar, puede justificarse el apernado junto con un ensanchamiento con cable o pletina de hierro, o puede adoptarse un sistema combinado. En yacimientos de manteo pronunciado debe exigirse o insistirse sobre la verticalidad de las pilares y no debe dejarse que estos sean normales a las cajas ya que el esfuerzo transmitido al pilar se descompone en una fuerza perpendicular al piso y techo y otra según la dirección de la máxima pendiente.

CALCULO DE PILARES

Para el cálculo de pilares se utilizarán las ecuaciones de Sheviackov. Las cuales fueron deducidas en base a las siguientes suposiciones : 1. Que la carga máxima posible sobre los pilares se debe al peso de toda la roca suprayacente, hasta la superficie. 2. Las tensiones verticales de compresión en las secciones horizontales de los pilares están distribuidas uniformemente, se supone que la irregularidad existente está cubierta por un coeficiente de seguridad. 3. Que se omite cierto aumento de límite de resistencia en los pilares debido a su tamaño mucho mayor que las muestras de laboratorio. La relación básica de resistencia es: S.H.q

+

s.h.q 1

s.R  n

≤

donde H

: distancia desde la superficie hasta la parte superior del pilar. h : altura del pilar. S : superficie de la sección horizontal de la columna de roca suprayacente correspondiente a un pilar. : superficie de la sección horizontal de un pilar. s q : peso específico de la roca suprayacente. q1 : peso específico de la roca del pilar. R  : límite de resistencia a la compesión uniaxial del pilar. n : coeficiente de seguridad.

luego S.H.q

≤

s.R  n

+

s.h .q 1

S s

⇒

≤

R  H.q.n

−

h .q 1 H.q

en el límite podemos escribir la siguiente igualdad S s LABOREO MINERO II

−

=

R  H.q.n

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−

h.q1 H.q

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Esta expresión nos permitirá relacionar el ancho de los pilares con el ancho de las cámaras para las distintas formas que puedan llegar a tener los pilares, a continuación se analizarán algunas de las formas posibles.

1) Pilares en Forma de Pared

  =  x +   = x.L

S s

S s

=

R  H.q.n

−

∴ luego

A 2

x

+

A

x

h .q 1

2

= 1+

=

H.q

    .L  

A

+

1

+

⇒

A x

A x   1 x =   h.q 1 R  −  H.q  H.q.n

  .A  −1 

(1)

2) Pilares Cuadrados

  =  x +   = x2

S s

∴

luego

S s

R  H.q.n

A 2

  x + =    x −

h.q 1 H.q

+

A

A 2

 2     

 2      =  1 +    

A x

  = 1 +  

       

⇒

A x

 2     

2

   x =    

1 R  H.q .n

−

h .q 1 H.q

   .A  −1  

(2)

Similarmente podemos encontrar ecuaciones para pilares de las mas diversas formas, como las siguientes ecuaciones : 3) Pilares Rectangulares

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A2 +A S = ( A + x).(A + L) L x ⇒ =  s = x.L R h.q1 A  − − −1 H.q.n H.q L

(3)

donde L es la longitud del lado mas largo del pilar. 4) Pilares Circulares

S = (A + x ) 2  s=

π .x 2 4

   

⇒

A

x=

π .R H.q.n.4

−

π .h.q1 H.q.4

(4)

−1

Para estos tipos de pilares, se observa que existe una relación lineal entre los anchos de los pilares y los de las cámaras, es decir una relación del tipo x = m . A, o si se quiere, existe una relación de directa proporcionalidad, a mayor  x mayor A. También se observa que un aumento de H, h, n, q o q1 provoca un aumento de m,  por el contrario, un aumento de R disminuye m. Ejemplo de cálculo. Determinar la relación existente entre los anchos de los pilares y los de las cámaras, para los siguientes datos: Tipo de pilar  : cuadrado. R = 1000 Kg/cm 2 = 10.000.000 Kg/m 2 n = 2,5 H = 40 m h=5m q = 3,2 tn/m 3 q1 = 2,7 tn/m 3 Solución: La ecuación a utilizar es la (2), donde reemplazando los valores obtenemos    x =    

1 10 .000 .000 40 .3.200 .2,5

−

5.2.700 40 .3.200

  1  .A = 4,56 .A −1   

Es decir que si tomamos un x = 4 m, la abertura máxima de la cámara será de 18,4 m.

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RECUPERACION DEL YACIMIENTO

La recuperación del yacimiento puede variar de una mina a otra, dependiendo por  una parte de las condiciones propias que presenta el yacimiento, y por otra, de la técnica empleada y grado de mecanización a que se ha alcanzado. Como dato general podemos decir  que la recuperación puede variar de 60 a 85 % del mineral preparado, llegándose en ciertos casos a recuperaciones del orden de 90 %.  No es posible dar normas estrictas a priori sobre las posibilidades de la recuperación ya que ella depende de una serie de factores todos relacionados entre sí y que influirán en mayor o menor medida según las características del caso.

RECUPERACION DE PILARES

En ciertos casos se justifica realizar estudios sobre la recuperación de pilares, sobre todo en yacimientos importantes. Actualmente se han hecho recuperaciones interesantes de  pilares en ciertos yacimientos donde la inversión se ha pagado ampliamente. La recuperación puede hacerse de varias maneras: 1. Recuperación con hundimiento controlado del techo. 2. Recuperación de pilares y reemplazo por pilares artificiales. 3. Recuperación parcial de pilares a)

Por adelgazamiento y refuerzo con concreto.

 b)

Arrancándose pilares en forma alternado.

c)

Arrancándose pilares alternados y provocando hundimiento.

1. Recuperación con hundimiento controlado del techo, consiste en controlar perfectamente  bien la estabilidad del techo y provocar el hundimiento a voluntad. Se necesita para llegar a un control máximo un gran número de pruebas de terreno, y una gran experiencia en el conocimiento del yacimiento. Generalmente el método se aplica a sectores bien reducidos donde la recuperación de los pilares justifica cualquier tentativa que se haga con este fin. 2. Recuperación de pilares y reemplazo por pilares artificiales: este método es una de los mas corrientes y consiste en el reemplazo del pilar de mineral por un pilar de concreto, encastillado de madera, un muro de piedra (tipo pirca) de mampostería o simplemente por un gran número de pies derechos de sostenimiento. 3. Recuperación parcial de pilares: en algunos casos se adelgazan los pilares a un máximo y luego se refuerza con concreto (es una especie de camisa o cilindro alrededor del pilar). Puede hacerse la recuperación de pilares en forma alternada cuando las condiciones son favorables y abandonarse la zona. O también arrancarse los pilares alternativamente y  provocar el hundimiento, esto tiene por objeto disminuir los esfuerzos en los pilares de aquellas zonas vecinas al hundimiento.

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VENTAJAS Y DESVENTAJAS DEL METODO CAMARAS Y PILARES

A) Ventajas:

1. El método hasta cierto punto es selectivo, es decir zonas mas pobres pueden no explotarse sin afectar mayormente la aplicabilidad del método. 2. En yacimientos importantes puede llegarse a una mecanización bien completa lo que reduce ampliamente los costos de explotación. 3. En yacimientos que afloran a la superficie puede hacerse todo el desarrollo y preparación por  mineral, o en caso contrario los desarrollos por estéril pueden ser muy insignificantes. 4. Actualmente con el avance de la técnica de sostenimiento de techos pueden explotarse caserones de luces amplias con bastante seguridad. 5. Permite la explotación sin problema, de cuerpos mineralizados ubicados paralelamente y separados por zonas estériles. 6. La recuperación del yacimiento aún no siendo del 100 % puede llegarse a recuperaciones del orden de 75 a 80 %. B) Desventajas:

1. Si la el yacimiento presenta una mineralización muy irregular, tanto en corrida como en  potencia podría llegar a afectar la explotación, limitando mucho la planificación del método, como así mismo la perforación y provocar problemas de carguío sobre todo para posibles mecanizaciones. 2. Problema de manteo del yacimiento, cuando el manteo esta muy cerca del manteo crítico, se  producen problemas para el movimiento del mineral en los caserones y aún este problema es mas grave, si se trata de mantos angostos. En el caso de mantos potentes hay problemas en la mecanización de la perforación lo que se traduce en dificultades de movilidad al usar equipo  pesado de perforación. 3. Dilución de la ley, es un problema que es muy importante y en casos de techos débiles puede ser una causa que llegue a limitar la aplicación del método. 4. Fortificación del techo, en ciertos cuando no es posible controlar el techo y es necesario llevar caserones muy angostos (si el yacimiento no acepta luces grandes entre pilares), puede concluirse, en un cambio de método de explotación por otro mas adecuado, o emplear un método combinado por ejemplo: cámaras y pilares con shrinkage o cámaras y pilares con cuadros cuadrados. 5. Problemas de recuperación del yacimiento, cuando la recuperación del yacimiento es muy  baja, debe entonces pensarse en otro método.

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