METODOS DE EXPLOTACION SUBTERRANEA

Room and Pillar

Ing. Martin Arocutipa G.

 Contenidos
• Diseño del método de explotación Room
and Pillar
• Diseño de pilares mineros
• Estudio de casos
Diseño Room And Pillar
 Room and Pilar
• Cuerpos mineralizados mantiformes y
de baja potencia.
• La calidad de la roca de caja y
mineral deben ser competentes (2B,
Bieniawski, 1976).
• Se dejan pilares para mantener el
techo y las paredes estables.
• Se deben diseñar los pilares y los
caserones para maximizar la
recuperación de mineral.
• Cuerpos mineralizados con potencias
mayores a 10m y menores a 30 m se
explotan por sub-niveles desde el
techo al piso.
• Baja dilución menor a 5%.
• Recuperación baja menor a 75%.
• Costo de producción 10-25$-t.
 Accesos
• Acceso horizontal a través de túneles
• Acceso mediante pique:
– cercano al centro de gravedad del
cuerpo mineralizado.
– Se debe profundizar hasta un nivel
donde se puedan instalar buzones
y estaciones de chancado.
– El peinecillo del pique debe estar
en un sector donde no se afecte la
estabilidad de este.
• Rampa
– Pendiente máxima de 8% si se
utilizan cargadores frontales o
camiones
– Si se instala correas se puede
llegar hasta 15%
• Se debe excavar un acceso de
transporte del cual se puedan construir
cruzados de producción de los cuales
se puedan preparar accesos a los
caserones en producción.
 Métodos de Extracción
• Frente completa
• Múltiples niveles
• Pilares largos
• Caving room and pillar
 Método de Frente Completa
• Se utiliza para mantos de
hasta una potencia de 6-9m
• Se perfora toda la frente
utilizando la técnica de
perforación VCut
• En general este método es
de baja productividad pero
posee menor dilución y
mayor recuperación que
mantos de mayor potencia
 Múltiples Niveles
• Para cuerpos de una potencia hasta
30m
• Para cuerpos de mayor potencia se
prefiere utilizar el método de
sublevel stoping
• En este método la perforación se
puede realizar por banqueo con la
preparación de un subnivel de
perforación superior o por múltiples
subniveles preparados en realce, en
que cada subnivel es del orden de
4m de alto
 Método de Múltiples Niveles
• Cuerpos que poseen una
geometría irregular o
buzamiento mayor a 8% y
menor a 35%
• Se definen múltiples niveles
en que el piso de cada nivel
se acomoda a la pared
pendiente del yacimiento
 Métodos de Pilares Largos
• Se generan grandes
caserones rodeados de muros
o Rib Pillars
• Se utiliza generalmente en
minería no metálica y la idea
es utilizar los caserones para
el procesamiento de las
arenas petrolíferas, nitrato u
piedras ornamentales
• La recuperación de este
método de explotación es bajo
y no se utiliza en minería
metálica
• Se utiliza en yacimientos de
baja profundidad y largas
extensiones 200x800 m
Caving Room and Pillar

• Potencias de hasta
2.5 m y
profundidades de
hasta 250m.
• Se realiza una
extracción de pilares
en retroceso
induciendo el
hundimiento de las
zonas explotadas
• Genera subsidencia y
podría producirse
pérdidas de mineras
producto del colapso
de la frente.
Equipos y Configuración Perforación Frente Completa
Equipo y configuración de perforación por banqueo
 Ventilación
• Complejo debido al
tamaño de los
caserones
• La cantidad de flujo se
regula a través de
tapados de madera y en
circunstancias puertas
metálicas
• El flujo promedio debe
ser del orden de 30-40
m/min y en las frentes
de 120-140 m/min
 Configuraciones de Carguío y Transporte

• LHD
• LHD y camión bajo perfil
• LHD-Cargador frontal
• LHD-Cargador frontal – Camión
• LHD-Cargador- faja transportadora
• Otras alternativas

rubber tired front end loaders cargadores frontales de goma

semi-fixed pointed loaders cargadores puntiagudos semi-fijos
self loading hauler transportista de carga automática
machine that can only load themselves & hauls máquina que solo se puede cargar y transportar
Machines that can only load a haulage vehicle. Máquinas que solo pueden cargar un vehículo de transporte.
initial haulage system sistema de transporte inicial
secondary transfer system sistema de transferencia secundaria
final haulage system sistema de transporte final
haulage equipament equipo de transporte
unit size or capacity tamaño o capacidad de la unidad
dump point punto de descarga
grade & roadbed grado y calzada
haul distance distancia de recorrido
Configuraciones de Equipos de Carguío
Transporte
Transporte
 Secuencia Minera
• Se realiza un acceso de
preparación al centro del cuerpo
mineralizado el cual se reviste de
dos muros (rib pillars) del cual se
deben generar al menos 5
accesos a camaras por cada
lado
• Entre cada caserón se deben
distribuir las operaciones
unitarias de perforación, carguío
de explosivos, fortificación, y
carguío de producción.
• Típicamente se requieren 7 a 10
frentes por bloque para tener
producción continua incluyendo
todas las operaciones unitarias.
• Para definir la secuencia minera
se deben realizar modelos de
modo de evitar zonas de sobre
esfuerzo y a la vez combinar con
el uso eficiente de los recursos
de equipos mineros.
Comparación de productividad de métodos continuos de excavación versus métodos convencionales
 Room and Pillar en Yacimientos de Petroleo
• Se divide en
paneles y luego en
bloques mineros
de 350 m de
ancho y 600-800
m de largo
• La potencia de los
mantos varia entre
2.8 a 10m
• Recuperación de
80%
• Con equipo
continuo se puede
lograr una
recuperación del O. NIKITIN , 2003. MINING BLOCK STABILITY ANALYSIS
90% variando el FOR ROOM-AND-PILLAR MINING
WITH CONTINUOUS MINER
tamaño de los IN ESTONIAN OIL SHALE MINES*

pilares
 Post Room and Pilar Mining
• Variación del método de
Room and Pilar
• Cuerpos con potencias
mayores a 30m e inclinados
(menor a 20 grados)
• Comienza en la parte inferior
del cuerpo mineralizado y se
extiende en la vertical por
sub-niveles
• Una vez realizada la
perforación, voladura,
carguío y transporte del
mineral se procede a rellenar
la camara típicamente con
colas de relaves mezcladas
con cemento.
• El relleno aumenta el
confinamiento permitiendo
diseñar con un menor factor
de seguridad, lo que
aumenta la recuperación
minera.
 Costos

Costos de operación ($/t)

tpd 1200 8000 14000
Operación de equipos 1.8 1.8 2.04
Insumos 3.98 2.79 2.05
Mano de obra 11.01 5.3 3.56
Administración 5.93 2.42 2.04
Costo Capital 2.28 1.23 0.97
Total 25.06 13.54 10.66
Diseño de Pilares Mineros
Motivación
 roca
p

Sp

p
 roca Campo de esfuerzos presente
en el macizo rocoso
p Campo de esfuerzos actuando
sobre el pilar
Sp Resistencia del pilar
 Motivación
 roca Factor de Seguridad del Diseño
p Sp
fs 
p
Sp
• Factor mayor a 1
• La tendencia actual es
calcular la confiabilidad
p del diseño
 roca Campo de esfuerzos presente P( S p  f p )
en el macizo rocoso
p Campo de esfuerzos actuando Aproximación probabilística
sobre el pilar
al diseño de minas
Sp Resistencia del pilar
 Diseño de Pilares
• El objetivo es maximizar
la recuperación de la
unidad básica de
explotación a través de
un diseño seguro y
viable
• El diseño de pilares debe
obedecer a un análisis
de las cargas o
solicitaciones y la
resistencia del macizo
rocoso.
 Carga Sobre el Pilar
• Se produce re
distribución de
esfuerzos al realizar
minería de la cámara
de producción
• Los esfuerzos tienden
a ser mayores en las
esquinas produciendo
fallas por exceso de
cizalle
 Carga Vertical Sobre el Pilar
• Carga litoestática

 z  z MPa

• Estimación del esfuerzo

inducido
1
 p z
1 
z Carga litoestatica (MPa)

Am Área Extraída
  Recuperación Minera
At Área Total
 Área Tributaria
Pilares cuadrados
2
W p  Wo 
 p z 
 W p 

Concentración de esfuerzos como función de la

recuperación (Rock Mechanics for underground
mining, Third edition)
Área Tributaria para Muros y Pilares Rectangulares
 Estimación de esfuerzos inducidos en pilares profundos (Coates, 1981)

H (1  2 w ) p HEw
2 R  ko 
H= es la altura del pilar (m)
ko
 pa L(1   w ) (1   p ) LE p
L = extensión lateral del yacimiento


N= numero de pilares a través del

RB (1  2 w )
yacimiento
z HEw 1
 2(1  R)(1  )  2 Ko= radio de esfuerzos horizontales y

L(1   w )
verticales
LE p N E= modulo de Young (rm= rock mass; p=
pilar)
U= modulo de Poisson
r = radio de extracción
B= ancho de la excavación

K0=h/v Ew,w

Ep,p
Comparación Metodo Area Tributaria - Coates
12.0
Coates (arching)
Area Tributaria
10.0

8.0
 p/ z

6.0

4.0

2.0

0.0
0% 20% 40% 60% 80% 100%

Porcentaje extracción (Area Pilar/Area Total)

Ko 1
Ew 70 Gpa
Ep 30 Gpa
Vw 0,33
Vp 0,33
H 10 m
L 100 m
H/L 0,1
Ew/Ep 2,3
B/L 0,1
 Factor de seguridad
• El 100% de los
pilares diseñados
con un FS mayor
1.6 se ha mantenido
estable

• Esta relación
corresponde a la
experiencia de 1
mina, cada
operación debería
tener sus propios
estándares

Retro-análisis de pilares de
minas de carbón Sudafricanas,
Salamon y Munro (1967)
 Modelo de falla progresiva

4.0
cracking
fracturamiento
peak
3.5
Falla pilar > 40%

3.0
pilar parcialmente  1  A 3  B c
 1/UCS*

fallado (20-40%)

2.5 UCS *  B c
Inicio microfisuras
2.0 (5% falla)

1.5
pilar intacto

1.0
0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9

3/UCS*

Criterio de falla progresiva requiere conocer el confinamiento medio en el pilar

 Tracción Sobre el Techo del
Caserón
• Luz máxima para
un estrato de roca
t

L2
T  T
2t
 L4
 L

32 Et 2 El fallamiento del techo del caserón va a

3L generalmente ser debido al esfuerzo de tracción y no
 de corte
4 E: Módulo de elasticidad del macizo rocoso
 peso específico de la roca
Consideraciones sobre rigidez

Mayor rigidez

Menor rigidez
 Resistencia de Pilares Mineros
• Hardy and Agapito (1977)
Sp
0.118 0.833
Sp  Vs   Wp H s  S, especimen
   
S s  V p   H p Ws  P, Pilar

• Obert and Duvall (1967)

H
 W
S p  Ss  a  b 
 H
W
• Salamon and Munro
(1967), Holland (1964) Ss Resistencia del macizo rocoso MPa

Wa 
S p  S s   
H 
 Constantes Utilizadas Para El
Diseño de Pilares
Fuente a  a b Medio

Salamon y Munro -0,66 0,46 -0,067 0,59 Carbón South Africa

(1967) S p  So ha wp
Greenwald et al (1939) -0,83 0,5 -0,111 0,72 Carbon Pittsburg
1
Steart(1954); Holland y -1,00 0,5 -0,167 0,83 Carbón Virginia a  (a   )
Agapito (1957) 3
Skinner(1959) -0,079 Test de laboratorio 1
Stacy & Page (1989) 0,5 -0,7 - - Pilares roca competente
b  (   2a )
3
Vasquez et. al 1,3 -1,3 - - Roca competente
Resistencia de Macizo Rocoso

• Criterio de Hoek and

Brown (1980, 1995)
a
   '
     ci  mb
' '
 s  3

  ci
1 3

 ci Resistencia a la compresión no
confinada roca intacta

 GSI  100 
mb  mi exp  
 28 

GSI >=25 GSI <25

 GSI  100  s0

s  exp  
 9  GSI
a  0.65 
a  0.5 200
Constante para Distintos Tipos de Roca Intacta
 Efecto de Escalamiento de Resistencia de Macizo Rocoso

• Criterio de Hoek and

Brown para granito de
Resistencia al
corte (peak) la mina Lac du Bonnet
basado en resistencia
de laboratorio, post
Cracks se
progagan
falla y iniciación de
fractura basado en
monitoreo sísmico a
escala mina.
Iniciacion
cracks

Martin, 1994 The progressive fracture of Lac

DuBonnet Granite , Int. J. Rock Mech. Min. Sci. 31
643-59
Diseño de pilares en base a modelos de degradación
Diederich (2002)

Iniciación daño
A= 1
B=0,4-0,5
Daño sistemático
A=2
Resistencia peak
A=3-4
UCS* = resistencia a
compresión axial del
macizo

 1  A 3  B c
UCS *  B c
 La Importancia de W/H

• La esbeltez del pilar define

el grado de confinamiento de
este
• Para pilares con relaciones
W/H menor a 4 se produce
el fenómeno de relajación
post falla (strain softenning).
• Este ábaco es fundamental
para entender el estallido de
roca en minería profunda

Das, 1986. Curvas de esfuerzo deformación

completas para testigo de pilares de carbón.
Modelamiento de relajación post falla
 Resistencia como función del
Confinamiento del Pilar
• Se define el confinamiento
medio del pilar:

 W  
C pav  0.46log   0.75
 H 
• Esta fórmula nace del
análisis de múltiples
geometrías modeladas
numéricamente y
estimación del
confinamiento al interior del
pilar.
• Average pilar stress
– (s1+s2+s3)/3 Lunder y Pakalnis, 1997. Resistencia
de pilar en función del esfuerzo
normalizado vs el confinamiento
medio normalizado
 Resistencia de Pilares Para
Roca Competente
• Pakalnis Y
Lunde (1997)
proponen una
relación para S p  0.44UCS (0.68  0.52k )
estimar la
resistencia del
pilar
considerando el
confinamiento
 
k  tan a cos1  C pav  1  C pav 
medio de los
pilares
 Diseño de pilares barrera
Por lo general estos pilares tienen grandes dimensiones y
protegen al panel de colapsos tipo cascada.
Las fórmulas empíricas de resistencia de pilares son válidas para
W/H < 5.
Para el caso de pilares barrera en minas de carbón:

 5b   b   W / H   
e

P  S  a       1  1

 VP   e
   5  


e  2, 5
a  0, 0667
b  0, 5933
Para casos de minas metálicas se requiere usar Hoek and Brown
 Factor de seguridad
• El 100% de los
pilares diseñados
con un FS mayor
1.6 se ha
mantenido estable
• Esta relación
corresponde a la
experiencia de 1
mina, cada
operación debería
tener sus propios
estándares Retro-análisis de pilares de
minas de carbón Sudafricanas,
Salamon y Munro (1967)
Rigidez local
 Ejemplo
• Diseñar las camaras y pilares para un
yacimiento mantiforme de 10m. de
potencia que se encuentra a una
profundidad de 200m.
• Las características de la roca de caja y
mineral se presentan a continuación:
Luz Máxima y Dilución
 Resistencia del Pilar Unitario

3 Resistencia del pilar (criterio Hoek and Brown)

3 (MPa) 0 pilares no confinados artificialmente, peor caso estimación conservadora

UCS (MPa) 200

 GSI  100 
s  exp 
mi 27 de la tabla rocas  9 
GSI 65 GSI >=25 a  0.5
a 0.5  GS I  100 
m b  m i exp  
s 0.02  28 
a
mb 7.74   '

 1'   3'   ci  mb 3  s 
1(MPa) 28.6   ci 
 Diseño de Pilares
Profundidad (m) 200
H (m) 10
a 0.46 Salamon and Munro (1967)
 0.66
z (MPa) 4.4 Wa 
S p  K   
L4

H  32Et 2
4 . Diseño de Pilares Cuadrados
configuracion Wp (m) W0 (m) p (MPa) Sp(MPa) Wp/H FS Recuperación  (m) %Dil
1 9 7 13.9 41.8 0.90 3.01 68.4% 0.05 0.26%
2 7 7 17.6 37.2 0.70 2.12 75.0% 0.05 0.26%
3 6 7 20.7 34.7 0.60 1.68 78.7% 0.05 0.26%
4 8 10 22.3 39.6 0.80 1.78 80.2% 0.21 1.07%
5 10 12 21.3 43.9 1.00 2.06 79.3% 0.45 2.23%
6 10 13 23.3 43.9 1.00 1.89 81.1% 0.61 3.07%
7 10 14 25.3 43.9 1.00 1.73 82.6% 0.83 4.13%
8 10 15 27.5 43.9 1.00 1.60 84.0% 1.09 5.44%
9 10 16 29.7 43.9 1.00 1.48 85.2% 1.41 7.04%
10 10 18 34.5 43.9 1.00 1.27 87.2% 2.26 11.28%
Casos de estudio
 Parámetros de interés minas
explotadas por Room & Pillar
Carácterísticas Cuerpo mineralizado Características explotación
Compañía Elemento Ley Métodos de Geometría Ancho
Mina Profundidad Forma Potencia Manteo Altura caserón Producción
/ País de Interés media explotación pilar caserón
% m m ° mxm m m tpd
KGHM Irregular, en 7x 7 Se ajusta al
Lubin Cobre <2 600 1.2 - 20 ~8 1. Room & Pillar 7 19000
/ Polonia manteo y potencia 10 x 10 cuerpo mineral
2. Room & Pillar
KGHM 600 Irregular, en 7x 7 Se ajusta al
Polkowice Cobre >2 3 ~8 with roof caving 7 27000
/ Polonia - 1200 manteo y potencia 10 x 10 cuerpo mineral
3. Room & Pillar
KGHM Irregular, en 7x 7 Se ajusta al
Rudna Cobre 1.86 1200 1.2 - 20 ~8 with backfilling 7 30000
/ Polonia manteo y potencia 10 x 10 cuerpo mineral
1. 75% R&P
2. 10% Drift and
Anglo fill (potencia < 5m)
Zn: 11% - 165 Irregular, en Se ajusta al
Lisheen American Plomo - zinc 3--7 ~6 3. 15% por Long - - 4300
Pb: 1-2 % - 205 manteo y potencia cuerpo mineral
plc / Irlanda Hole
Open Stoping
(potencia > 15m)
Regular, Se ajusta al
Auersmacher Alemania Caliza - 50 6 ~0 Room & Pillar - 7 960
Subhorizontal cuerpo mineral
Se ajusta al
Dalen Noruega Caliza - - Regular 40 15-20 Room & Pillar - - 2740
cuerpo mineral
Anglo
Platinum
Waterval Platino - - Regular 0.6 ~9 Room & Pillar 6X6 12 1.8 - 2 9600
Group
/ Sudáfrica
 Polkowice-Sieroszowice Mine, Polonia

Aplicación de Room and

Pillar con utilización de
rellenos de material estéril
mezclados con cemento.
Dalen limestone Mine, Noruega

Alta potencia, de 40 m promedio

Elevado buzamiento
 Waterval Mine, Sudáfrica
•Cuerpo de baja potencia, del
orden 0.6 m. La extracción por
Room and Pillar se hace
operativa a una altura de 2m.
•Se excavan camaras de 12 m
de ancho, dejando pilares
cuadrados de 6X6.

Equipo de perforación de bajo perfil

(AtlasCopco, Underground Mining Methods,
Case Studies - Flat Orebodies )
 Falconbridge Niquel Mines, and Elliot
Lake Uranium mines
• Método de explotación: Post
Pillar Cut and Fill
• Cuerpos de una mediana
calidad de roca, y se
encuentran con un
buzamiento mayor a 8%.
• Se desarrolla un room and
pillar en la base y se
comienza a excavar el techo
de los caserones, luego se
inyecta relleno hidráulico para
poder acceder al siguiente
corte
• Los pilares son cuadrados de
6.1 m
• Las camaras tienen una
dimensión de 13.4x 9.1 m lo
cual produce una
recuperación minera de 87%.
• Se dejan muros para separar
las unidades de explotación y
proveer soporte a los accesos
principales.