Nuestros canales
Diseño de minado y análisis de estabilidad para la explotación subterránea del yacimiento Hilarión en Ancash
Resumen Ejecutivo
Este estudio presenta el diseño geomecánico y el análisis de estabilidad para la explotación subterránea del yacimiento polimetálico Hilarión (Zn-Pb-Ag) en Ancash, Perú. Frente a un recurso marginal de baja ley y formas irregulares, emplazado en un área de alta sensibilidad socioambiental, se propone una operación a 10,000 t/día. La caracterización geotécnica reveló un macizo rocoso de calidad BUENA (Clase BII, RMR 60-67), lo que permitió seleccionar los métodos Sub Level Stoping Longitudinal (SLSL) y Bench and Fill Stoping (BAF). Mediante métodos empíricos (Gráfico de Estabilidad Modificado) y numéricos (Elementos Finitos), se dimensionaron las excavaciones y se confirmó su estabilidad, con factores de seguridad mayores a 1.5-2.0. El diseño optimizado minimiza el uso de sostenimiento y define protocolos de relleno para garantizar la estabilidad a largo plazo.
El yacimiento Hilarión, con un macizo rocoso de calidad BUENA (BII), es apto para métodos de explotación masiva de bajo costo. El diseño óptimo emplea Sub Level Stoping Longitudinal (tajos de 20m ancho x 40m largo x 24-28m alto) y Bench and Fill (hasta 15m ancho), logrando factores de seguridad >1.5-2.5. La estabilidad se garantiza con relleno inmediato (distancia ≤40m desde el talud) y, en algunos casos, con sostenimiento de cablebolts.
Contexto y Desafíos del Proyecto
El yacimiento Hilarión presenta desafíos técnicos y sociales complejos: mineralización marginal de zinc con leyes bajas y geometrías irregulares, ubicado en el contacto de la formación calcárea Pariatambo con intrusivos. Además, se sitúa en una zona de alta sensibilidad socioambiental, cerca de nevados y cabeceras de cuenca, en el límite de tres comunidades (Aquia, Huasta, Chihuruco). Estos factores exigen un diseño minero que maximice la eficiencia operativa con bajos costos, minimice el impacto visual y ambiental, y garantice la estabilidad de las excavaciones sin recurrir a métodos convencionales de alto impacto. El precedente de minas cercanas como Pucarrajo y Condestable, que explotaron cavidades amplias en roca competente sin relleno, respalda la viabilidad del enfoque propuesto.
Metodología de Investigación
1. Enfoque y Diseño
- Tipo: Investigación aplicada, predictiva y explicativa con enfoque cuantitativo.
- Lógica: Deductiva, analizando causa-efecto en la estabilidad de excavaciones.
- Métodos: Integración de métodos empíricos, análisis numérico y criterios de diseño geomecánico.
2. Caracterización Geotécnica
- Muestreo: No probabilístico de testigos orientados de perforación diamantina (58.73% de la población), complementado con cartografiado geomecánico en los tres sectores (Norte, Centro, Sur).
- Análisis Estructural: Proyección estereográfica para identificar sistemas de discontinuidades dominantes.
- Clasificación: Aplicación del índice RMR (Rock Mass Rating) para zonificar la calidad del macizo rocoso.
- Resistencia: Determinación de parámetros de resistencia (GSI, mi, s, mb, Emr) usando el criterio de Hoek-Brown y software Roelab.
3. Diseño Geomecánico y Dimensionamiento
- Esfuerzos In Situ: Estimados mediante criterio litostático (esfuerzo vertical ~12 MPa a 450m) y criterio de Sheorey (esfuerzo horizontal ~8-12 MPa).
- Dimensionamiento de Tajos: Uso del Método Gráfico de Estabilidad Modificado (N°) y del Equivalente Lineal de Sobrerotura (ELOS), implementado con el software STOPESOFT.
- Parámetros Evaluados: Anchos de tajo (8, 12, 15, 20, 30 m) y alturas (24, 28, 72, 100 m) para distintos sectores.
4. Análisis de Estabilidad
- Control Estructural: Análisis de cuñas con software UNWEDGE (Rocscience) para evaluar fallas por intersección de discontinuidades.
- Análisis Numérico: Modelamiento de esfuerzo/deformación mediante Método de Elementos Finitos (MEF) para simular secuencias completas de minado y relleno.
- Evaluación: Cálculo de Factores de Seguridad (FS) para condiciones críticas y estado final de la explotación.
Resultados Principales
1. Caracterización Geotécnica del Macizo Rocoso
Calidad del Macizo Rocoso (RMR):
El yacimiento presenta un dominio geomecánico principal de calidad BUENA (Clase BII), con valores RMR entre 60 y 67. La silicificación, presente especialmente en calizas, contribuye a una mayor resistencia.
| Tipo de Roca | Abrev. | RMR Promedio | Dominio Estructural |
|---|---|---|---|
| Caliza | CLZA | 60 | DE-IIIA |
| Diorita | DIOR | 64 | DE-II |
| Zona Mineralizada | ZM | 63 | DE-II |
| Stock Intrusivo | STOCK | 67 | DE-II |
Sistemas de Discontinuidades: Se identificaron cuatro sistemas principales en cada sector (Norte, Centro, Sur), siendo los sistemas 1 y 3 los más relevantes, asociados a fallas y estratificación.
2. Selección y Diseño de los Métodos de Explotación
Métodos Seleccionados:
- Sub Level Stoping Longitudinal (SLSL): Para zonas con mayor potencia y regularidad.
- Bench and Fill Stoping (BAF): Para zonas con cuerpos más irregulares o donde se requiera mayor control.
Dimensionamiento Óptimo de los Tajos (UBEs):
| Método | Altura (m) | Ancho Máx. (m) | Longitud (m) | Condición de Estabilidad | Requisito de Sostenimiento |
|---|---|---|---|---|---|
| SLSL | 24 - 28 | 20 | 40 | Estable | Cablebolts en hastiales si potencia >20m o longitud mayor. |
| BAF | 28 | 15 | Variable | Estable si relleno dinámico ≤40m | Sostenimiento opcional evaluado caso por caso. |
Para el SLSL, en condición "estable sin sostenimiento", las longitudes máximas por sector son: Norte 19m, Centro 18m, Sur 17m (para 28m de altura).
3. Análisis de Estabilidad y Factores de Seguridad
Análisis de Estabilidad Estructural (Cuñas):
- Las labores transversales al rumbo del cuerpo presentan escasa formación de cuñas en el techo.
- Las labores paralelas al rumbo (NW-SE) pueden generar cuñas alargadas en el techo, requiriendo sostenimiento con pernos y malla o cablebolting.
- Se identificó la presencia de estratos paralelos a los hastiales que forman "falsas cajas", considerada en el diseño.
Análisis Numérico por Elementos Finitos (MEF):
- Sub Level Stoping (SLSL): Las simulaciones de la secuencia de minado y relleno mostraron una adecuada redistribución de esfuerzos. Los factores de resistencia (Strength Factor) se mantuvieron por encima de 2.0 durante todo el proceso. El relleno inmediato con mezcla cementada (para el 24% de la reserva) fue clave para disipar esfuerzos.
- Bench and Fill (BAF): No se observaron zonas de alta concentración de esfuerzos. Los factores de seguridad fueron superiores a 1.5. La condición crítica es mantener la distancia entre el talud de relleno y el frente de explotación en ≤40 metros.
- Elementos Críticos: El análisis del puente de seguridad de 25m entre rampas y tajos del piso mostró FS > 2.5. Para pilares (tabiques) entre tajos contiguos, se requieren 8m de espesor para usar relleno detrítico; con espesores menores, se necesita relleno cementado.
4. Infraestructura y Plan de Producción
Se diseñó una mina subterránea completa para una tasa de producción de 10,000 toneladas por día. La infraestructura de acceso, preparación, extracción (skip) y servicios fue dimensionada acorde. Inspirado en casos como la División Andina de CODELCO, se consideró la ubicación de la planta concentradora en caverna subterránea para mitigar el impacto visual y ambiental en la superficie sensible.
Discusión e Interpretación
Fortalezas y Validación del Diseño
- Macizo Rocoso Competente: La calidad BUENA (BII) uniforme en todo el yacimiento es el pilar que permite métodos de explotación masivos con mínimo sostenimiento, reduciendo costos operativos significativamente.
- Metodología Integrada: La combinación de métodos empíricos (Gráfico de Estabilidad), analíticos (ELOS) y numéricos (MEF) proporciona un diseño robusto y validado en múltiples frentes.
- Enfoque en Relleno: El estudio enfatiza el rol crítico del relleno (inmediato y con la mezcla adecuada) no solo como residuo, sino como elemento activo de soporte y control de estabilidad.
- Factores de Seguridad Conservadores: Los FS obtenidos (1.5 a >2.5) están dentro de rangos aceptables y conservadores para minería subterránea, indicando un diseño seguro.
Limitaciones y Recomendaciones para Fases Futuras
- Medición de Esfuerzos In Situ: Los esfuerzos se estimaron mediante criterios teóricos (Hoek, Sheorey). Se recomienda mediciones in situ (hidrofractura, overcoring) en la siguiente fase para calibrar el modelo con mayor precisión.
- Actualización del Factor 'A': El factor de esfuerzos del método empírico se basó en curvas 2D (Mathews). Para mejorar la precisión, se sugiere recalcularlo mediante modelamiento numérico 3D (e.g., software RS3).
- Modelamiento de Discontinuidades: El modelo MEF actual considera un medio continuo. Para mayor detalle, futuros modelos podrían incorporar técnicas como Elementos Discretos (DEM) o Red de Fracturas Discretas (DFN) para simular mejor el comportamiento del macizo fracturado.
- Monitoreo en Tiempo Real: Durante la construcción y operación, es crucial implementar un sistema de monitoreo geotécnico (convergencias, microsismicidad) integrado con los modelos numéricos para validar predicciones y tomar acciones correctivas oportunas.
Conclusiones Principales
- El yacimiento Hilarión, a pesar de su mineralización marginal y contexto socioambiental sensible, es técnicamente viable para una explotación subterránea a gran escala (10,000 t/d), gracias a la excelente calidad de su macizo rocoso (Clase BII, RMR 60-67).
- Los métodos de explotación seleccionados, Sub Level Stoping Longitudinal (SLSL) y Bench and Fill Stoping (BAF), son los más adecuados técnica y económicamente, permitiendo el minado masivo con bajos costos operativos y mínimo uso de sostenimiento.
- El dimensionamiento geomecánico óptimo define tajos de hasta 20m de ancho x 40m de largo x 28m de alto para SLSL, y hasta 15m de ancho para BAF, manteniendo una condición estable siempre que se respeten los protocolos de relleno (distancia ≤40m al frente) y, en algunos casos, se instale sostenimiento con cablebolts.
- Los análisis de estabilidad (empírico, de cuñas y por Elementos Finitos) confirman la estabilidad global del diseño, con factores de seguridad consistentemente superiores a 1.5 y, en la mayoría de los casos, mayores a 2.0. Elementos críticos como puentes de 25m y pilares de 8m también muestran estabilidad adecuada.
- El relleno inmediato y adecuado (cementado para el 24% de la reserva, detrítico para el resto) se identifica como un componente esencial del diseño, no solo para disposición de residuos, sino como elemento estructural clave para disipar esfuerzos y garantizar la estabilidad a largo plazo.
- El estudio sienta las bases geotécnicas sólidas para el proyecto, señalando la necesidad de complementar el modelo con mediciones in situ y monitoreo continuo en las fases de construcción y operación, para afinar el diseño y gestionar proactivamente la estabilidad.
Palabras claves: Diseño geomecánico, análisis de estabilidad, minería subterránea, Sub Level Stoping, Bench and Fill, macizo rocoso, RMR, elementos finitos, dimensionamiento de tajos, yacimiento Hilarión, Ancash, factibilidad geotécnica.
Referencia Completa
Vargas Olarte, J. L. (2024). Diseño de minado y análisis de estabilidad para la explotación subterránea del yacimiento Hilarión en Ancash. Revista del Instituto de Investigación de la Facultad de Minas, Metalurgia y Ciencias Geográficas, 27(53), e26633. https://doi.org/10.15381/iigeo.v27i53.26633
Cursos y Capacitaciones
Geología
Sistemas tipo pórfido: Guías para su exploración
Este curso va dirigido a estudiantes de geología, profesionales que quieran incrementar su conocimiento sobre la exploración de sistemas tipo pórfido. El objetivo es revisar conceptos, modelos y guías para la exploración de sistemas tipo pórfido.
Geología
Buenas prácticas en logueo geológico - geotécnico y geología de yacimientos Skarns
En este curso conocerás las nuevas prácticas empleadas por las mejores empresas en el registro de logueos, junto con procedimientos, tips y ejemplos aplicados a yacimientos tipo Skarn.
Geología
Uso del software adobe Illustrator en la geología
En el curso aprenderás a aplicar Adobe Illustrator en la elaboración de representaciones geológicas profesionales. Durante las sesiones, integrarás diseño vectorial y análisis geológico para construir mapas, columnas y secciones con valor técnico y visual.
Geología
Uso de softwares de proyección estereográfica aplicado a pliegues y fallas
El objetivo del curso es que el participante logre identificar, caracterizar y analizar pliegues y fallas hasta determinar los paleoesfuerzos. Además, aprenderá a usar softwares para realizar dicho procedimiento y análisis. Trabajaremos con datos de pliegues y fallas de casos reales y académicos con el fin de que cada participante logre desarrollar la metodología de trabajo propuesto en este curso.