4/4/11

Minería de Interior

Ya ha pasado bastante tiempo desde la última actualización de las entradas invitadas. Al final, se está alargando el cumpleaños del blog más de lo que me gustaría, y además, ciertas cosas que tenía pensadas aún no están resueltas. Sin embargo, aquí estamos otra vez, esta vez la escritora es Silvia Alba estudiante de Ingeniería de Minas en la universidad de León.

MINERÍA DE INTERIOR

La minería en la historia

Las primeras minas eran simples excavaciones en afloramientos de minerales en la superficie, sobre todo metales (hierro, cobre), sílex, caliza.
En el caso de los metales, se obtenían por calcinación del mineral para obtener el metal fundido. En el caso del sílex y la caliza, el tratamiento era más primitivo, simplemente se le daba a la herramienta la forma deseada.

Fue con el auge del Imperio Romano que llegó la auténtica revolución de la minería. Ya no solo se explotaba lo que afloraba, sino que las minas pasaron a ser grandes infraestructuras con miles de obreros (o esclavos).

En España, un ejemplo de lo anterior es el complejo minero de Las Médulas. Los romanos encontraron oro en estas montañas, y no les tembló el pulso a la hora de llevárselas por delante para obtener el precioso metal.
Mediante métodos hidráulicos, o ruina montium el mineral era extraído a razón de 3 gramos de oro por cada tonelada de tierra movida.
Estos métodos hidráulicos no consistían en otra cosa que almacenar grandes cantidades de agua en embalses artificiales, para conducirla hacia la mina de manera repentina. De este modo, el agua arrancaba la tierra de la montaña y arrastraba con ella el oro. Este agua era filtrada con un arbusto muy típico de la zona: la escoba; en la escoba quedaban retenidas las partículas de oro.
El paso siguiente era quemar la escoba para obtener el oro, como las cenizas eran más ligeras que el metal este método facilitaba la separación.


El otro gran hito en la minería vino de la mano de la Revolución Industrial y la introducción de la máquina de vapor. Los primeros usos de la máquina de vapor fueron precisamente para drenar las minas de carbón de Cornwall.
A medida que el uso de la máquina de vapor de Watt se fue extendiendo al resto de aplicaciones industriales, también en la minería se utilizó para el transporte de mineral y para el drenaje de los pozos mediante bombas.

Ya con la aparición de los motores de combustión interna y los motores eléctricos, la tecnología minera fue avanzando tan rápidamente que hay infinidad de innovaciones hasta nuestros días.


Definición de las fases de un proyecto minero

Concepto de mineral y mina

Mineral es toda sustancia existente en la corteza terrestre y que, bien por su rareza o por su concentración, era considerada como un tesoro escondido y, como consecuencia, tenía cierta demanda por parte de la sociedad.
Aunque una definición menos romántica sería esta: aquella sustancia del reino mineral que, una vez investigada, extraída, transportada, concentrada y comercializada, produce un beneficio económico.

Como ya se ha comentado antes, en la Antigüedad se explotaban filones de minerales metálicos en forma masiva y casi pura que afloraban a la superficie, siendo fácilmente extraíbles.
Esos filones siguen existiendo, pero en stocks mineralizados, ya que los filones con leyes más altas ya han sido explotados. Estos filones, en la actualidad, se encuentran a mayor profundidad y con leyes menores, lo cual exige un avance en las tecnologías de extracción que permita elevar las leyes sin incrementar también el coste en exceso.

También se debe dejar claro que una mina se hace, no se encuentra. Es decir, que no nos vamos a encontrar el agujero hecho, sino que tenemos que proyectarlo y hacerlo nosotros.

Hacer una mina consiste en producir una sustancia mineral demandada por la sociedad a través de un mercado y por la cual se va a pagar un precio remunerador.
Dado que será el mercado el que marque las especificaciones de ese mineral, que pueden no coincidir con las características del mineral que se extrae de la naturaleza, será necesario que una vez extraído, se someta a una transformación industrial hasta que cumpla las condiciones de calidad que el mercado exige.



Minería de plomo en el siglo XIX

También en función del mercado, para que un mineral se convierta en un producto vendible, hay que investigarlo, extraerlo, tratarlo y comercializarlo.
En definitiva, la minería es el conjunto de las tecnologías que hacen posible el desarrollo de las fases anteriores: investigación, extracción, tratamiento y venta.

Cuando se proyecta una mina, se hace teniendo en cuenta el mercado. Un mineral que ayer no tenía valor alguno, puede que hoy dispare su precio y sea rentable explotarlo. Las minas tienen que ser económicamente rentables (como cualquier otro proyecto), ya que requieren grandes inversiones antes de que se empiece a extraer el mineral, inversiones que tienen que recuperarse. Por ello, un proyecto minero tiene que tener una posibilidad de fallo menor al 5%.

Cuando se habla de la obtención de beneficios a la hora de explotar una mina, es muy importante la ley del mineral, que no sería otra cosa que la cantidad de mineral que se puede extraer por cada unidad métrica de material total que se extrae.
Por ejemplo: decir que un yacimiento tiene una ley en oro de 1,5 gramos por tonelada es lo mismo que decir que por cada tonelada de material (escombro más oro) que extraemos, 1,5 gramos serían de oro y sería lo que realmente queremos y aprovechamos.
Dentro de este concepto de ley también tenemos lo que se denomina ley de corte, que es la ley mínima que debe tener un mineral en un yacimiento para que su explotación resulte económicamente rentable, y es una relación entre el precio de venta, el precio unitario de la sustancia y el rendimiento de la operación global (extracción y concentración).

Las reservas

Hay tres clases de reservas: seguras, probables y posibles.

Las reservas seguras son aquellas toneladas de mineral cuya ley es superior a la ley de corte.

Las reservas probables son aquellas toneladas cuya ley es ligeramente inferior a la ley de corte. Inicialmente no se podrían explotar, pero se convertirían en reservas seguras si aumentase el precio del mineral en el mercado.

Las reservas posibles son aquellas toneladas cuya ley es muy inferior a la de corte y para convertirse en seguras el precio tendría que duplicarse o triplicarse.

Cómo se hace una mina

Para hacer una mina, lo primero que se necesita es encontrar unos indicios, ya sea en forma de datos técnicos sobre el terreno, datos históricos, administrativos o verbales, que nos den pistas sobre la posible existencia de un recurso.

Los indicios no justifican la apertura de una explotación, pero sí que ayudan a dar el siguiente paso: encontrar un criadero.

Un criadero es una estructura geológica que puede albergar una sustancia mineral susceptible de ser explotada. Estos criaderos se estudian minuciosamente tanto en superficie con calicatas o pozos, como en profundidad, recurriendo a la geofísica y geoquímica.
Finalmente se harán sondeos que permitan cuantificar la ley del mineral, y se acotará la extensión del criadero.

Cuando la extensión del criadero, sus leyes y potencias estén bien definidas, podremos empezar a diseñar la explotación.

Una vez que tenemos localizada la masa de mineral que queremos extraer, tenemos que acceder a ella, y ésto puede hacerse de tres maneras: mediante un transversal, mediante una galería en dirección y un recorte, o mediante una galería en guía.


Corte de una mina en el que se representan los distintos niveles y accesos

Un transversal es una labor minera (un túnel) que discurre perpendicularmente a la estratificación, es decir, a medida que se va avanzando se van encontrando las diferentes capas de roca.

Una galería en dirección es aquella que discurre paralela al filón que se quiere explotar, y puede estar a techo o a muro (por encima o por debajo de la capa). Como esta galería nunca va a cortar al filón, se accederá a él mediante una galería en pendiente de menor sección: un recorte o contraataque.

Y finalmente, una galería en guía es aquella que se hace en la propia capa, es decir, que avanza dentro del mineral. Según sea la potencia de la capa, la galería la ocupará total o parcialmente.

Otro tipo de labor que va a ser importante a la hora de definir la ventilación y la manera de trabajar en la mina es el fondo de saco: una labor no recorrida por la corriente principal de ventilación.

Dentro de la mina

Arranque del mineral

El avance de galerías está condicionado por varios factores: la dureza de la roca, su densidad, su tenacidad y su abrasividad. Y ambos van a marcar el límite a la hora de aplicar un método de avance u otro.

La dureza de la roca se mide por su resistencia a la compresión o RCS: es la capacidad portante que tiene ante los esfuerzos que transmite el macizo rocoso.
O dicho de otra manera: define el comportamiento plástico o elástico de la roca sometida a una presión.

La abrasividad de la roca viene definida por su contenido en sílice libre, a mayor contenido en cuarzo mayor abrasión sobre los equipos de arranque.

Hay tres tipos principales de arranque, aunque los más utilizados sean dos: arranque mecánico, mediante perforación y voladura, y avance manual.

El arranque mecánico se aplica a rocas con una dureza media y blanda, hasta 600 ó 700 kg/cm 2.

También es importante que las rocas sean poco abrasivas, para abaratar lo máximo posible el coste en material fungible (barrenas, dientes y cucharas de las palas excavadoras, las bañeras de los camiones...), ya que repercute directamente en el coste por metro cúbico arrancado.


Arranque mecánico de carbón Longwall mining utilizando un minador o rozadora

La maquinaria que se utiliza en este caso puede ser de dos tipos: minadores o rozadoras, y retroexcavadoras provistas de un cazo o un martillo hidráulico.

El avance mediante perforación y voladura se aplica a macizos rocosos duros, con una resistencia a la compresión mayor de 800 kg/cm 2 .

El avance manual se utiliza cuando la labor no reúne las condiciones de tamaño o dureza de la roca para avanzar con explosivos o con maquinaria. En estos casos se suelen utilizar martillos neumáticos manuales.

Voladuras de interior

En el avance mediante perforación y voladura hay una peculiaridad importante de la minería de interior con respecto a las minas a cielo abierto. Esta peculiaridad no es otra que la necesidad de crear una cara libre en el frente de avance para permitir que la roca se desprenda.

En las voladuras en galerías, al realizarse en espacios confinados, es necesario crear una cara libre inicial hacia la que pueda salir el resto de la roca. Esto se consigue haciendo un cuele, que es un hueco que nosotros creamos.

Los cueles pueden ser de distintos tipos, principalmente consisten en uno o varios barrenos vacíos rodeados de varios barrenos cargados de explosivo de menor diámetro. Los barrenos cargados del cuele serán los primeros en salir (con un número de detonador más bajo), así dejarán una cara libre en el centro del frente para que el resto de la voladura tenga dos planos hacia los que dirigirse.

Además del cuele, la galería se divide en otras partes que van a tener un orden de salida en la voladura.
Estas distintas áreas se denominan: destroza, zapateras y recorte.


Esquema de perforación con las distintas zonas de la voladura

El recorte es la parte más exterior de la galería, la parte de la voladura que va a definir el contorno de la excavación. Es importante que el recorte salga bien para evitar el daño excesivo del macizo, así como las sobreexcavaciones que implicarían un mayor coste en sostenimiento, o como un mal arranque que implicaría un doble trabajo de desescombro y saneamiento del frente.

Las zapateras representan la parte inferior de la galería, van a definir el piso. Como dentro de la mina o el túnel el piso debe tener el mismo nivel o la misma pendiente en el trazado para permitir la colocación de las vías o la pavimentación, las zapateras, al igual que el recorte, tienen que salir bien y no dejar un perfil demasiado irregular.

Finalmente, la destroza es la superficie restante: todo lo que queda una vez definido el cuele, la destroza y el contorno.

La secuencia de salida de la voladura sería: cuele, destroza, zapateras y contorno o recorte.

Los barrenos del cuele deben ir suficientemente cargados para arrancar el máximo volumen de roca posible, sin afectar a los barrenos contiguos de la destroza y sin producir la sinterización de la roca.

Los barrenos de la destroza irán más o menos cargados según tengan que arrancar la roca a favor o en contra de la gravedad. Los que queden por encima del cuele irán menos cargados por arrancar a favor de la gravedad y los que queden por debajo irán más cargados por tener que arrancar un mayor peso de roca.

Las zapateras se cargarán de manera similar a la destroza, teniendo en cuenta que todo el peso de roca arrancado por el cuele y la destroza estarán sobre ella.

El ciclo de carga y transporte

Este ciclo de carga y transporte no es otra cosa que la optimización de los tiempos que se dedican a las distintas actividades que hay que hacer en el frente. Por cada turno de trabajo hay que hacer las siguientes actividades:

  • perforación
  • carga y disparo de la voladura
  • ventilación y saneo del frente de avance
  • desescombro
  • colocación del sostenimiento

Para hacer el ciclo correctamente se debe escoger la maquinaria adecuada, tanto en rendimiento de perforación, como en cantidad y capacidad para la carga y el transporte.
No conviene que los tiempos de desescombro sean elevados, por lo que es necesario adecuar la maquinaria a la producción, tanto los camiones o pánzeres como las palas cargadoras. Para esto es importante estudiar tanto la ruta de transporte, como la pendiente del pavimento.
Los camiones no superarían una pendiente de más del 10%, mientras que el transporte sobre vía soporta solo un 5%. Otra opción sería una cinta transportadora, que podría llegar hasta los 20º de inclinación.

La perforación

Normalmente se utiliza perforación rotopercutiva, cuyos principios fundamentales son la percusión, la rotación, el barrido y el empuje.

Con la percusión lo que hacemos es aplicar una fuerza perpendicular a la superficie que estamos perforando. Se van creando grietas en la superficie. A este principio va asociado el de empuje, ya que es necesario que la boca de la barrena esté en contacto directo con la superficie en todo momento.

Con la rotación se consigue que la fuerza se aplique en un punto distinto del plano cada vez, así las grietas se van haciendo más grandes hasta completar el diámetro de perforación deseado.

El barrido permite que la superficie a perforar esté libre de detritus de perforación. Si la roca arrancada no se desaloja, la boca la desmenuzará, pero no se avanzará en la perforación, por lo que el rendimiento se verá afectado: la boca se desgastará con más facilidad, se tardará más tiempo en perforar una cierta longitud y el ciclo de carga y transporte no podrá cumplirse en el tiempo estipulado.

La carga y el disparo de la voladura

Los explosivos que se utilizan en minería de interior deben cumplir determinadas características: tienen que tener un balance de oxígeno positivo en su composición, esto es que tengan el oxígeno suficiente para oxidar completamente todos sus componentes y que no quede explosivo sin detonar ni se produzcan humos nocivos difíciles de diluir.
Por otra parte, también tienen que cumplir los requisitos de seguridad, en caso de trabajar en atmósferas grisuosas, con riesgo de explosión.

La secuenciación se lleva a cabo mediante los distintos tipos de detonadores.

Éstos pueden ser de retardo (detonan a medio segundo) o de microrretardo (detonan a los 30 milisegundos).
También pueden ser de iniciación eléctrica, mediante una fuente de corriente continua; o de iniciación no eléctrica, mediante mecha u otros dispositivos.

Trabajos en atmósferas potencialmente explosivas y poco salubres

Las atmósferas potencialmente explosivas son aquellas cuya composición, ya sea porque en el aire se detecta grisú (metano más aire), monóxido de carbono o cualquier otro hidrocarburo o gas inflamable, entraña un riesgo de explosión.

El Reglamento de Normas Básicas de Seguridad Minera, y a través de la ITC 04.7.02, establece los límites de concentración de gases que pueden causar asfixia, envenenamiento o explosión.

Todas las labores subterráneas deben contar, al menos, con una entrada y una salida de aire, necesariamente independientes. La corriente de aire debe recorrer la labor siempre en sentido ascendente, y no debe superar unos límites de velocidad: la velocidad mínima de ventilación en una labor con atmósfera potencialmente explosiva debe ser mayor a 0,2 m/s; y la velocidad máxima de ventilación para cualquier mina no debe exceder los 8 m/s.

Estos límites se deben a que la velocidad tiene que ser suficiente como para diluir los gases nocivos o explosivos, pero no debe ser tan elevada como para provocar la proyección de polvo y partículas, ya que eso empeoraría la calidad de la atmósfera, además de originar riesgos para la salud.

El contenido mínimo en oxígeno que debe haber en cualquier labor minera tiene que ser mayor o igual al 19%, y esto se consigue instalando una red de ventilación adecuada.

Los gases regulados son los siguientes: monóxido y dióxido de carbono, óxidos de nitrógeno, sulfuro de hidrógeno, dióxido de azufre e hidrógeno molecular.
Los límites de concentración para periodos de 8 horas (una jornada laboral) serán:
  • CO 50 ppm
  • CO 2 5000 ppm
  • NOx 10 ppm
  • SH 2 5 ppm
  • H 2 1000 ppm
Además, cuando se habla de atmósferas explosivas y, en concreto, de atmósferas con grisú, el porcentaje máximo de CH 4 que debe estar presente en el aire debe ser inferior al 2,5%.

Las atmósferas nocivas pueden ser de tres tipos: asfixiantes si predomina el CO, tóxicas si contienen CO, SH 2 y NOx, y AtEx o potencialmente explosivas si contienen CH 4, CO o algún hidrocarburo (también hidrógeno).

Los gases que vician la atmósfera de la mina pueden provenir de varios focos: de la respiración de las personas, de los humos de escape de la maquinaria, los explosivos, incendios que se produzcan, emanaciones del propio macizo (en minería de carbón, el metano se desprende directamente de la capa de carbón, lo cual entraña un riesgo crítico, porque es difícilmente previsible) o de aguas estancadas en labores ya abandonadas.

En el retorno general de la ventilación, el CO2 no puede estar presente en un porcentaje mayor al 0,5%.

Los gases que sean más pesados que el aire se acumularán en las zonas más bajas de las labores y al contrario los gases que sean más ligeros que el aire.

Las atmósferas AtEx, principalmente las generadas por grisú, van a estar condicionadas por unos límites de explosión: por debajo del 5% de metano en aire no se produciría explosión, sino que, de ser iniciado, solo tendría lugar una combustión; mientras que por encima del 14% de metano en aire, tampoco se produciría explosión, pero sí una combustión con desplazamiento de oxígeno, lo que originaría una atmósfera asfixiante.

Para iniciar una atmósfera explosiva se necesita una fuente de calor que aporte una temperatura mayor o igual a 600ºC, y cuanto mayor sea la temperatura menor será el tiempo que tarde en producirse la ignición.

Las precauciones a tomar en este tipo de atmósferas AtEx, en cuanto al uso de explosivos, son las siguientes:
  • utilizar detonadores de microrretardo, que no den tiempo a la acumulación de partículas incandescentes en contacto con el aire, y de cápsula de cobre. Los detonadores de cápsula de aluminio producen esquirlas a temperaturas superiores a 600ºC, lo que puede iniciar la atmósfera explosiva, mientras que el cobre se funde antes de llegar a los 600ºC y no proyecta esquirlas.
  • utilizar explosivos de seguridad. Estos explosivos tienen en su composición sales que disminuyen la temperatura de formación de los productos de la detonación.
Además de esto, hay que evitar en la medida de lo posible la formación de chispas por roce con elementos metálicos, los arcos o chispas de origen eléctrico y las llamas desnudas.
Ni que decir tiene que está terminantemente prohibido fumar en el interior de una labor con atmósfera AtEx, y en la cercanía de explosivos y durante su manipulación.

4 comentarios:

  1. Francamente sorprendente. Estoy aprendiendo un montón con estas entradas! =)

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  2. Copiar los apuntes de Daniel Vázquez Silva, enhorabuena!! que bien lo has hecho!! =)

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  3. Ni es un crimen ni es una acusación...es una afirmación. Son los apuntes de laboreo. Pero que yo no digo nada oye, cada uno que los use para lo que quiera...solo es que leí tu artículo y los he reconocido. Perdona si te ha molestado.

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