INCIMMET es un contratista regional de 30 años de trayectoria que diseña e implementa soluciones integrales en construcción subterránea para la industria minera y civil. Originaria de Perú, también tiene presencia en Colombia, Argentina, Chile y México.

En el Perú y demás países del mundo que desarrollan industria minera, al momento de diseñar una mina subterránea o socavón, una de las decisiones claves que están obligados a tomar es si deben rellenar los espacios vacíos que se crean por la excavación y extracción del yacimiento mineralizado con valor económico. En cualquier diseño de ingeniería, el primer paso es definir el método de explotación y los parámetros que son más críticos para una implementación exitosa de un relleno de minas. Una vez que se determine las características y requerimientos de propiedades físicas y mecánicas en el relleno, se puede identificar una gama de soluciones.

Figura N° 01: Roca estéril o peña, insumo principal en el diseño de mezcla del relleno de roca cementado [CRF]

• En el caso del relleno, no todos los métodos pueden ser adecuados y es posible que se deban considerar múltiples parámetros operativos de la mina. La decisión del tipo de relleno a utilizarse generalmente está influenciada por una gran variedad de factores independientes y dependientes, que comúnmente incluyen:
• Impactos ambientales, a causa de los grandes volúmenes de arenas finas y agua del proceso de beneficio (relaves o colas con un bajo porcentaje de solidos), así como la roca estéril generado de los desarrollos de mina.
• Falta de áreas de disposición de arenas finas (relaves) y de roca estéril (peña) en áreas superficiales por la limitación que se tiene en las condiciones geográficas de la ubicación de la mina, como de las zonas que los rodea como: quebradas, ríos, poblaciones aledañas, entre otros.
• Control de subsidencias, cuando se realizan grandes excavaciones y no se rellenan, estas generan desprendimientos constantes de rocas por el sobreesfuerzo del tamaño en la excavación generada y que puede llevar a colapsar desde un nivel hasta otro nivel inclusive alcanzar la superficie.
• Mantener la estabilidad del macizo rocoso en mina, después de realizar las excavaciones masivas en la explotación.
• Reducir el volumen de roca estéril o peña generada por los desarrollos de mina que serán transportados y dispuestos en superficie en las desmonteras.
• Nivel de recuperación del cuerpo mineralizado, será mayor de acuerdo con la elección del diseño del método de explotación y la aplicación del relleno adecuado.
• La aplicación del relleno consolidado o relleno de roca cementada [CRF] permite la recuperación de pilares o machones del mineral en el método de explotación Sublevel Stoping [SLS].
• Hacer económicamente viable otras áreas mineralizadas de bajo valor en la explotación de la mina con la selección y aplicación del tipo adecuado de relleno.

Considerando un escenario operativo, donde se tenga una alternativa de relleno que se identifique como una solución para mejorar la productividad de los paneles o cámaras, para incrementar el factor de seguridad, asegurar la estabilidad del macizo rocoso y amigable con el medio ambiente. Para ello, el primer paso para la implementación de un relleno eficiente es identificar las fuentes de material para el relleno, perfil geográfico donde se encuentra la mina, vías de acceso para el ingreso de los insumos, áreas disponibles para su construcción y capacidad de la planta de relleno. Las minas subterráneas producen grandes volúmenes de roca estéril o peña por medio de la voladura de los frentes de avances en interior mina para la construcción de la infraestructura necesaria de acuerdo con los diseños del método de minado, brindar accesos a los cuerpos mineralizados y facilitar la extracción del mineral.    

Actualmente en la minería subterránea o socavón, debido a las excavaciones masivas por el método de taladros largos en la explotación de mineral se genera aberturas de mayor dimensión, las cuales abiertas pueden permanecer durante un determinado tiempo (tiempo de autosoporte establecido por evaluación geomecánica), por lo tanto, se tiene la necesidad, de que sean rellenados con los mismos residuos generados por la actividad minera, con diseños de mezcla óptimos cuando se trata de un relleno consolidado, con la mezcla de relleno se planea alcanzar un determinado valor numérico en los ensayos de resistencia del relleno consolidado (MPa) de acuerdo con la recomendación geomecánica, lo que nos permite mantener la estabilidad del macizo rocoso, y continuar con el ciclo de producción de mineral, especialmente en zonas o labores en minas subterráneas cada vez más profundas.

Figura N° 02: Área abierta de la voladura de un panel de taladros largos, UM Tambomayo (2022)

Las propiedades del relleno son, por tanto, de particular interés. El relleno de roca cementada (CRF por sus siglas en inglés cemented rock fill) es una buena alternativa de solución para la aplicación de relleno de minas subterráneas, la mezcla optima de materiales de relleno pueden usarse como relleno, en el método de explotación de Corte y Relleno Ascendente [C&F], Sublevel Stoping [SLS], minado por Subniveles Ascendentes con Relleno Consolidado [SARC] para la atención de mayores volúmenes y de valores de resistencia en los ensayos de compresión uniaxial. La mezcla de relleno es colocada en los paneles primarios, una vez completado el nivel de relleno y el tiempo de fraguado para brindar el soporte adecuado para que el panel primario rellenado sea expuesto como cara libre en la explotación del panel secundario (recuperación de pilares o machones), y nos permita alcanzar un mayor porcentaje en la recuperación de mineral de acuerdo con el diseño del método de minado.

Aplicación de Relleno de Roca Cementada [CRF]

El relleno de roca cementada [CRF] tiene como objetivo el recuperar la estabilidad perdida del macizo rocoso, derivada de la extracción del mineral valioso en las operaciones mineras subterráneas. El relleno es la mezcla de material (roca estéril + cemento (%) + agua) que sustituye en volumen al mineral extraído en el proceso de explotación, principalmente en los métodos como el Corte y Relleno Ascendente “Cut and Fill” [C&F], “Sublevel Stoping” [SLS] y Subniveles Ascendentes con Relleno Consolidado [SARC], de tal manera que se comporte como una plataforma de trabajo (piso), pilar base o pilar costilla y permita mantener la estabilidad adecuada (de las paredes laterales y techo), y, nos permita continuar con un explotación mucha más segura, productiva y eficiente de acuerdo con los estándares operativos establecidos en la unidad minera.

Por lo general en la actividad minera de explotación por perforación de taladros largos, el relleno emplea como insumo los materiales residuales como para el presente caso de estudio, roca estéril o peña generada por las actividades preliminares de preparación y desarrollo de la mina subterránea. La roca estéril o peña generada por la fragmentación de la voladura de los frentes está constituida por partículas de roca estéril o peña con una granulometría variada, siendo posible en la mezcla encontrar desde partículas de varios centímetros de diámetro hasta arenas finas, limos y polvos.

Figura N° 03: Granulometría de la fragmentación de la voladura de frentes en roca estéril

El relleno de roca cementada [CRF], es un tipo de relleno consolidado que viene hacer una mezcla de roca estéril o peña usando el material fragmentado de la voladura de los frentes de avance, más proporciones de cemento (% en peso de la roca estéril), aditivos y agua. En casos que se requieran alcanzar mayores valores de resistencia del relleno [CRF] en los ensayos de compresión (MPa), se recomienda el uso del agregado preparado a  partir de la roca estéril o peña, el agregado se obtiene a partir del proceso de chancado o zarandeado con un tamaño de partícula menor a las 3” Ø (76.2 mm), las mismas que se pueden verificar con prueba de asentamiento (Ensayo Slump – Cono de Abraham) y mostrar la trabajabilidad del relleno momentos antes de ser dispuesto en los paneles.

La mezcla de relleno [CRF] puede ser preparado en una cámara ubicada en mina (sedimentador) hasta en una planta de mezclado de acuerdo con el requerimiento de la demanda de relleno (entre 20 – 50 m³/h), siendo la variable para la preparación el tamaño de partícula a usar en el diseño de mezcla, esta mezcla puede ser transportada con volquetas o camiones o impulsados por bombeo mediante tuberías de Schedule – Polietileno HDPE y finalmente ser colocados en los paneles o rebajes.

El cemento, en forma de pasta cementicia (lechada de cemento), es utilizado como el aglutinante de la mezcla, de acuerdo con los aportes técnicos su uso aumenta la resistencia a los esfuerzos de compresión.

Figura N° 04:  Proceso de mezclado del relleno de roca cementada [CRF] en una cámara de mezclado (sedimentador)

Los factores de éxito de la aplicación del relleno [CRF] se inicia con el estudio de las propiedades físicas y mecánicas de la roca estéril o peña, siendo los ensayos de mayor relevancia la granulometría del agregado, % de humedad, gravedad especifica, limite plástico y elástico, diseño de la mezcla del material de relleno con bajas proporciones (%) de cemento.

Los diseños de mezcla del relleno se pueden optimizar en función a: (i) cálculo de la resistencia mínima requerida para asegurar la estabilidad del relleno; (ii) optimización de las variables de mezcla para producir valores mínimos de resistencia con el menor uso de cemento; (iii) implementación de procedimientos de control de calidad y seguimiento del desempeño del procedimiento de llenado de los caserones o rebajes explotados.

Esta metodología asegura la seguridad y calidad del proceso, así como una reducción en los costos operativos. La resistencia requerida, para el uso de rellenos depende del método de explotación, la geología del cuerpo mineralizado, el diseño de la perforación y los posibles modos de falla que se presenten.

Sobre este último punto Mitchell & Roettger (1989) describieron los cuatro posibles modos de falla del relleno de roca cementada en una mina: (i) Deslizamiento: ocurre debido a la baja resistencia a la fricción entre el relleno y la pared de roca; (ii) Aplastamiento: ocurre cuando el esfuerzo inducido excede la resistencia a la compresión uniaxial de una masa de relleno; (iii) Flexión: ocurre cuando una masa de relleno tiene una baja resistencia a la tracción; (iv) Derrumbe: puede ser el resultado de un arco y una falla rotacional debido a la baja resistencia al corte en una pared de roca.

Imagen que contiene exterior, nieve, montar a caballo, caminandoDescripción generada automáticamente

Figura N° 05: Mezcla de relleno [CRF] dispuesto en un panel rellenado, Mina Maria Teresa – CM Colquisiri (2021)

Estudio de caso 1:Optimización de relleno de roca cementada [CRF]

INCIMMET, desde el año 2019, viene operando una planta móvil de concreto para la preparación de pasta cementicia (mezcla de agua y cemento) de acuerdo con el diseño de mezcla del relleno en la Unidad Minera Tambomayo de Cía. de Minas Buenaventura (Perú). Los objetivos principales del relleno cementado (CRF) para las necesidades operativas de la mina son: (i) Aumentar la recuperación de mineral, (ii) Mejorar la estabilidad geomecánica de la mina (brindando mayor seguridad para las personas durante los trabajos de explotación) y (iii) Reducir el impacto ambiental que genera la actividad extractiva. El método de explotación aplicado es el Bench and Fill (B&F) con un minado longitudinal y transversal; siendo una variante del método Sublevel Stoping (SLS). Para rellenar las cavidades abiertas se utilizan dos tipos de relleno; detrítico (roca estéril de los desarrollos mineros) de granulometría no definida y relleno de roca cementada (CRF) con un volumen de material detrítico que fue zarandeado previamente a una granulometría menor a 3” Ø, permitiéndonos a su vez controlar de una manera adecuada el soporte estructural del macizo rocoso, y permitiendo una mayor recuperación del mineral con la extracción de los caserones o rebajes secundarios.

Al principio de las operaciones, se utilizó material detrítico menor a 3” Ø, la composición del diseño de mezcla tenía un contenido de agregado zarandeado de material detrítico o peña con un contenido de cemento en su diseño de mezcla de 5%, logrando valores de resistencia del relleno de 0.4 MPa y 0.5 MPa a los 7 días y de 1.2 MPa a los 28 días de curado. Para mejorar los valores de la resistencia en diferentes horizontes de tiempo, se realizó ensayos con diseños de mezcla relacionando la composición granulométrica del agregado proveniente del material detrítico y de la relación de A/C (agua/cemento). Los diseños corregidos están conformados con una mezcla de agregado zarandeado de material detrítico o pega en una composición en peso de un 70% de agregado con tamaño de partícula menor a 2” Ø y un 30% de agregado con partículas mayor a las 2” Ø, pero menor a 3” Ø, logrando obtener valores en resistencias del relleno de 0.8 MPa y 0.9 MPa a los 7 días y 1.8 MPa a los 28 días. [1]

Imagen borrosa de una rocaDescripción generada automáticamente con confianza baja

Figura N° 06: Exposición de la pared lateral (pilar costilla) en la explotación de un panel secundario en Mina Maria Teresa - UM Colquisiri (2021)

Estudio de caso 2:Prueba de factibilidad de una planta de relleno de roca cementada móvil en mina subterránea.

El relleno de roca cementada [CRF] de acuerdo al diseño de mezcla de investigación estuvo compuesta por la roca estéril o peña fragmentada a partir de la voladura de los desarrollos mineros con una granulometría no definida con tamaño de partícula máximo de hasta 6” Ø, usando al cemento con aglutinante en un rango entre 3% a 5% en peso y agua hasta obtener una mezcla que brinde la trabajabilidad adecuada en el mezclado y transporte a los tajos o caserones de relleno, con un Slump aproximado de 4.5 a 5.8 cm. La resistencia recomendada por el departamento de Geomecánica es de 0.6 MPa. Asimismo, es importante señalar que por la metodología de mezclado usando el cucharon o balde del equipo de carguío (scooptram o cargador frontal de bajo perfil) es controlar el % de humedad de la roca estéril o peña, temperatura de la mezcla de relleno, segregación y tiempo de fraguado de la mezcla de relleno y el ángulo de reposo del relleno en la disposición en el tajeo o caserón.   

Se instaló una planta móvil en la Unidad Minera Cerro Lindo de Nexa Resources (Perú), usando la infraestructura construida de manera temporal, con equipos que incluyen un sistema de bombeo de pasta cementicia (lechada de cemento) conectado a una cámara de preparación de mezcla (sedimentador con una gradiente (-5 %) en la parte del fondo). En cuanto a la infraestructura minera, se contó con una cámara de preparación de mezcla de 25 metros de largo y otras dos cámaras de acumulación de marina y preparación de mezcla de 12 metros, todas ubicadas a un máximo de 200 metros de los tajos de explotación. La mezcla del relleno se realizaba de manera convencional usando la cuchara o balde del scooptram. [2]

Figura 06:Transporte y disposición del relleno de roca cementada [CRF] usando cargador frontal de bajo perfil (scooptram)

Finalmente, podemos concluir que el relleno de roca cementada [CRF] tiene una alta performance para dar respuesta a la sostenibilidad del proceso de explotación en minería subterránea garantizando una estabilidad global de la mina. Además, es un proceso innovador, que además de contribuir a la seguridad del personal y la reducción de costos, se convierte en una alternativa versátil para los diferentes métodos de explotación minera, en la actualidad grandes compañías mineras vienen aplicando el relleno de roca cementada [CRF] como una alternativa eficiente para sus operaciones.

Articulo Elaborado por Ing. Edwin Paredes Mendoza – Ing. Senior de Relleno de Minas

INCIMMET SAS www.incimmet.com

Referencias Bibliográficas

1. Revista MINERÍA - Perú, N° 493 año LXIII - octubre 2018 / www.revistamineria.com.pe, pág. 36.

2. Revista Rumbo Minero - Perú, N°119 - junio 2019 / www.rumbominero.com, pág. 188.

3. Revista Hormigón al Día - Chile, septiembre 2022 / www.hormigonaldia.ich.cl

4. Sainsbury, DP & Sainsbury, BL 2014, 'Diseño e implementación de enrocamiento cementado en el Ballarat Gold Project', en Y Potvin & T Grice (eds), Mine Fill 2014: Actas del Undécimo Simposio Internacional sobre Minería con Relleno, Centro Australiano de Geomecánica, Perth, pp. 205-216, https://doi.org/10.36487/ACG_rep/1404_15_Sainsbury

5. Salvoldi, BG, van der Spuy, B & Wilson, S 2019, 'Optimisation of cemented aggregate backfill at New Luika Gold Mine', in AJC Paterson, AB Fourie & D Reid (eds), Paste 2019: Proceedings of the 22nd International Conference on Paste, Thickened and Filtered Tailings, Australian Centre for Geomechanics, Perth, pp. 437-450, https://doi.org/10.36487/ACG_rep/1910_32_Salvoldi