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Aplicación del arco peruano para minado de altos esfuerzos Sublevel Caving – Mina Yauricocha
Resumen Ejecutivo
En la mina Yauricocha, Perú, la explotación del cuerpo polimetálico Esperanza mediante el método masivo Sublevel Caving (SLC) enfrenta el problema de la falla prematura de las cimbras de acero en los tajos de producción, con periodos de vida menores a 45-60 días. Esto genera incrementos en costos de sostenimiento, retrasos en la producción e incluso pérdida de mineral. Para solucionarlo, este estudio propone e implementa un nuevo diseño de sostenimiento: el "arco peruano", un elemento de concreto armado reforzado con acero estructural de alta resistencia, colocado entre las cimbras de acero existentes. La investigación, de enfoque aplicado y experimental, combinó cartografía geomecánica, ensayos de laboratorio y modelamiento numérico (con software como Dips, Rocdata, RS2, Phase2 y Map3D) para caracterizar el macizo rocoso sometido a altos esfuerzos y validar el diseño. Los resultados en el cuerpo Esperanza muestran que el arco peruano permite mantener una sección operativa mínima de 3.0 m para el ingreso de cargadores de bajo perfil, recuperar mineral (ej. 69k toneladas valorizadas en US$8.4 millones) y lograr un ahorro superior a US$2,300 por cada 10 metros de minado, con factores de seguridad superiores a 1.2.
El estudio implementó con éxito el "arco peruano", un innovador diseño de sostenimiento de concreto armado reforzado, para controlar los altos esfuerzos en el minado Sublevel Caving de la Mina Yauricocha. Esta solución permitió recuperar 69k toneladas de mineral (US$8.4 millones) que se consideraban perdidas, mantener una sección operativa segura de 3.0 m para equipos, y generar un ahorro de más de US$2,300 por cada 10 metros de minado. El diseño, validado mediante modelamiento geomecánico, ofrece un factor de seguridad >1.2 y demuestra ser técnicamente factible y económicamente ventajoso frente al uso exclusivo de cimbras de acero, cuya vida útil se reducía a menos de 60 días.
Contexto y Problemática
La mina Yauricocha (departamento de Lima, Perú), explotada por el método masivo Sublevel Caving, enfrentaba graves problemas de estabilidad en las labores de producción del cuerpo Esperanza, la estructura mineralizada de mayor potencia del yacimiento. Las cimbras de acero tipo H6 instaladas en los tajos de producción fallaban en menos de 60 días debido a los altos esfuerzos generados por el minado masivo, lo que obligaba a paralizar la explotación para su reemplazo. Esto conllevaba incrementos significativos en costos de sostenimiento, retrasos en la producción y pérdida de reservas minerales. La necesidad de mantener una sección operativa mínima de 3.0 metros para el acceso de cargadores de bajo perfil (de 6 yd³ y 3 yd³) hacía imperativo encontrar una solución de sostenimiento más robusta y duradera que permitiera continuar con la profundización planificada del cuerpo Esperanza, cuyo mineral presenta una buena ley (NSR 210 US$).
Metodología de Investigación
1. Enfoque y Diseño
- Tipo: Investigación aplicada y experimental.
- Objetivo: Diseñar y validar un nuevo sistema de sostenimiento (arco peruano) para controlar altos esfuerzos en labores minadas por Sublevel Caving.
- Área de estudio: Cuerpo mineralizado Esperanza, mina Yauricocha, Perú.
2. Trabajo de Campo
- Observación directa: Evaluación del comportamiento de las cimbras de acero existentes.
- Cartografía geomecánica: Mapeo detallado de discontinuidades (diaclasas, fallas, estratos) en las labores de producción.
- Caracterización de macizo rocoso: Aplicación del sistema Rock Mass Rating (RMR) de Bieniawski y cálculo del índice Q.
- Ensayo de martillo Schmidt: Para estimar resistencia compresiva in situ de la roca intacta (principalmente caliza).
3. Trabajo de Gabinete y Modelamiento
- Análisis estructural: Proyección estereográfica de discontinuidades con software Dips (Roeseience).
- Ensayo de laboratorio: Determinación de propiedades físicas, mecánicas y elásticas de muestras de roca (caliza, intrusivo, mineral), siguiendo normas ASTM.
- Criterios de resistencia: Aplicación del criterio de falla generalizado de Hoek & Diederichs para estimar parámetros de la masa rocosa con el software Rocdata.
- Modelamiento geomecánico:
- Análisis de estabilidad de cuñas: Con software Unwedge y RS2 para evaluar la estabilidad de las labores.
- Análisis de esfuerzos y diseño de pilares: Con software Phase2 (método de elementos finitos) y Map3D para modelar esfuerzos in situ y el comportamiento del método SLC.
- Determinación de esfuerzos in situ: Mediante el concepto de carga litostática y criterio de Sheorey.
Resultados Principales
1. Caracterización Geomecánica del Macizo Rocoso
Clasificación RMR y Calidad de la Roca: Se identificaron 5 dominios estructurales con calidades que van de "Regular" a "Mala B". El cuerpo mineral presentó la peor calidad (RMR promedio 24.5, Clase IV-B).
| Dominio estructural | Promedio RMR | Clase de roca | Calidad de masa rocosa |
|---|---|---|---|
| Caliza | 44.5 | III-B | Regular |
| Mineral | 24.5 | IV-B | Mala B |
| Intrusivo | 41.5 | III-B | Regular |
| Contacto Piso | 35.5 | IV-A | Mala A |
Propiedades de la Roca: La resistencia compresiva uniaxial (RCU) varió desde 20 MPa en el mineral hasta 120 MPa en el intrusivo. Se obtuvo la constante "mi" del criterio de Hoek & Brown para cada dominio, esencial para los análisis de estabilidad.
2. Esfuerzos In Situ y Condiciones Hidrogeológicas
Esfuerzos Calculados: Para una profundidad de excavación de 880 m, se determinó un esfuerzo vertical (σv) de 22.0 MPa y un esfuerzo horizontal (σh) de 8.2 MPa, utilizando una constante k=0.4 según Sheorey.
Presencia de Agua: Se identificaron condiciones de "goteo a flujo" en las unidades geotécnicas asociadas al contacto techo y al mineral, lo que ejerce presión en las discontinuidades y reduce la estabilidad.
3. Análisis de Estabilidad y Diseño
Análisis de Estabilidad Controlada por Estructuras: El modelamiento con Unwedge y RS2 para las labores de preparación (subniveles y ventanas) arrojó factores de seguridad (FS) > 1.2, indicando que el sostenimiento propuesto es adecuado.
Diseño de Pilares de Seguridad: El análisis con Phase2 reveló que, tras el minado de una ventana, se genera una zona de relajamiento en el contacto caliza-mineral con FS < 1.0, lo que justifica la necesidad de pilares de seguridad para bloquear el ingreso a ventanas ya minadas y garantizar la estabilidad global.
Comportamiento del Método SLC: El modelamiento 3D con Map3D confirmó que el esfuerzo vertical es el dominante en la zona de SLC (material brechado) y se acentúa con la profundización del minado. Se calculó que el sostenimiento debe soportar cargas del orden de 15.12 toneladas por metro de avance en el área de zona plástica para mantener FS ≥ 1.2.
4. Diseño, Aplicación y Economía del Arco Peruano
Descripción del Diseño: El arco peruano es un elemento prefabricado en forma de arco, construido con concreto armado y refuerzo de acero estructural de alta resistencia. Se instala entre las cimbras de acero H6 preexistentes en los tajos de producción y se recubre con shotcrete de 6" de espesor y resistencia >36 MPa a 28 días.
Resultados de Aplicación: Su implementación en el cuerpo Esperanza permitió recuperar dos ventanas críticas de 70 m de largo, equivalentes a 69,000 toneladas de mineral valorizadas en US$8.4 millones, que anteriormente se consideraban perdidas.
Análisis Económico Comparativo:
| Sistema de Sostenimiento (10m de minado) | Costo Total (US$) | Ahorro (US$) |
|---|---|---|
| Cimbras H6 + 4 cimbras adicionales de reemplazo | 27,632 | - |
| Cimbras H6 + 1 Arco Peruano | 25,311 | 2,320 |
El arco peruano no solo reduce costos, sino que también extiende la vida útil de las labores, evita paralizaciones y mejora la seguridad.
Discusión e Interpretación
Innovación y Validación Técnica del Sostenimiento
- Solución a un problema crítico: El arco peruano responde eficazmente a la falla prematura de las cimbras de acero en ambientes de alto esfuerzo, un problema común en minas profundas que emplean métodos masivos como el SLC. Su diseño combina la ductilidad del acero con la capacidad de carga del concreto armado.
- Validación mediante modelamiento: El uso integrado de software geomecánico (Dips, Rocdata, RS2, Phase2, Map3D) permitió una validación robusta del diseño. Los FS > 1.2 obtenidos en los análisis de estabilidad controlada por estructuras confirman su adecuación técnica.
- Recuperación de reservas: La implementación exitosa demostró que es posible recuperar y explotar económicamente reservas en zonas de alto esfuerzo que antes se abandonaban por problemas de estabilidad, maximizando así la recuperación del yacimiento.
- Ventaja económica clara: El ahorro de US$2,320 por cada 10 metros de minado, sumado a la reducción de paralizaciones y la recuperación de mineral, hace que la inversión en el arco peruano sea altamente rentable.
- Originalidad del estudio: La investigación presenta una solución innovadora específica para las condiciones de la mina Yauricocha, sin antecedentes de estudios similares previos en ese cuerpo, destacando su contribución a la ingeniería de minas en contextos de altos esfuerzos.
Conclusiones Principales
- El arco peruano se valida como una solución efectiva de sostenimiento para controlar los altos esfuerzos generados por el método de minado masivo Sublevel Caving en la Mina Yauricocha, específicamente en el cuerpo Esperanza. Su performance es superior al uso exclusivo de cimbras de acero, extendiendo la vida útil de las labores y garantizando una sección operativa segura de 3.0 m.
- La caracterización geomecánica integral, que incluyó clasificación RMR, análisis estructural y determinación de parámetros de resistencia mediante el criterio de Hoek & Brown, fue fundamental para comprender el comportamiento del macizo rocoso y diseñar un sostenimiento adecuado. El cuerpo mineral mostró la peor calidad (RMR 24.5, Clase IV-B).
- Los análisis de estabilidad mediante software especializado (Unwedge, RS2, Phase2) confirmaron que el diseño propuesto, en conjunto con las cimbras existentes, provee factores de seguridad superiores a 1.2 para las labores de preparación y producción, cumpliendo con los criterios de estabilidad requeridos.
- La aplicación del arco peruano generó beneficios económicos significativos, permitiendo la recuperación de 69,000 toneladas de mineral valorizadas en US$8.4 millones y logrando un ahorro directo de más de US$2,300 por cada 10 metros de minado, al reducir la necesidad de reemplazar cimbras de acero dañadas.
- El estudio demuestra la viabilidad técnica y económica de profundizar la explotación en el cuerpo Esperanza bajo condiciones de altos esfuerzos, contribuyendo a la recuperación total de las reservas y ofreciendo una solución innovadora y replicable para problemas similares en otras minas que empleen métodos de hundimiento.
- La metodología aplicada, que combina trabajo de campo, ensayos de laboratorio y modelamiento geomecánico avanzado, constituye un enfoque robusto para el diseño de sostenimiento en minería subterránea, capaz de optimizar la seguridad, la eficiencia operativa y la rentabilidad del proyecto minero.
Palabras claves: Arco peruano, concreto armado, Sublevel Caving, sostenimiento minero, altos esfuerzos, Mina Yauricocha, cuerpo Esperanza, geomecánica, Rock Mass Rating (RMR), modelamiento numérico, estabilidad de excavaciones, ahorro de costos, recuperación de mineral.
Referencia Completa
Curasma Ramos, G., & Mayorga Rojas, J. C. (2023). Aplicación del arco peruano para minado de altos esfuerzos Sublevel Caving – Mina Yauricocha. Revista del Instituto de Investigación de la Facultad de Minas, Metalurgia y Ciencias Geográficas, 26(52), e26108. https://doi.org/10.15381/itgeo.v26i52.26108
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