Transición de cielo abierto a minería subterránea por hundimiento
Algunas nociones fundamentales a tener en cuenta (Febrero, 2022)
Un modelo de bloques geológico puede convertirse en un modelo económico mediante la inclusión de parámetros como el precio del mineral, el coste de extracción y de procesamiento. Posteriormente, ha de llevar todos los esfuerzos en determinar la mejor estrategia minera posible, es decir, consumir las reservas garantizando la maximización del beneficio.
En esta búsqueda, la estrategia de selección del método de explotación desempeña un papel sumamente importante, ya que afectará directamente al beneficio de la operación. Por lo tanto, en esta fase, la pregunta suele ser: ¿Es el método óptimo de explotación minera a cielo abierto (OP), subterráneo (UG) o una combinación de ambos?.
En todo el mundo los yacimientos poco profundos se explotan generalmente con el método a cielo abierto (OP), ya que es económicamente superior a la mayoría de los métodos de minería subterránea (UG) en lo que respecta a la tasa de producción, la dilución, la seguridad y otras cuestiones técnicas. Sin embargo, la minería OP es bastante sensible a la profundidad de extracción debido a los costes de transporte; por lo tanto, la minería UG suele aplicarse a los yacimientos profundos.
En un caso combinado, véase Chuquicamata (Chile), una de las minas mas grandes a nivel mundial a cielo abierto, donde a 1 kilómetro de profundidad en 2013, el riesgo geotécnico, la baja ley del cobre, el bajo precio del mismo y el alto costo de transporte, obligaban a colocar todas sus cartas en el proyecto subterráneo. Y esto era posible dado que es un yacimiento poco profundo que se extiende verticalmente hasta una profundidad considerable y, por lo tanto, tiene el potencial de hacer la transición de la minería OP a la UG.
En todo el mundo, hay algunas minas que tienen el potencial de hacer la transición, o la transición ya se ha hecho, como Kanowna Bell en Australia Occidental, Chuquicamata en Chile como ya se señalaba, Grasberg en Indonesia, Sunrise Dam en Australia Occidental, entre otros.
Los yacimientos que tienen el potencial de hacer la transición de OP a UG suelen enfrentarse al «problema de la transición». En el método de minería combinada, el «punto de transición» se refiere al punto en el que hay que decidir si (1) ampliar el rajo o (2) pasar de OP a UG. La determinación del punto de transición óptimo es el gran problema para resolver.
En el enfoque tradicional de la minería combinada, se determinará el límite final del rajo y se realiza el diseño de este como primer paso. En esta fase, el límite final puede determinarse de forma óptima mediante algoritmos como el de Lerchs-Grossman (LG) o algoritmos basados en el flujo máximo, por ejemplo, el algoritmo de pseudoflujo. La optimización y el diseño de la mina UG se iniciarán después del límite final del rajo establecido de forma tradicional. Sin embargo, se ha estudiado que, si se tiene en cuenta el potencial económico asociado a los recursos UG, el rajo final puede reducirse significativamente a lo planteado por algoritmos de optimización exclusivos de minería a cielo abierto. Por lo tanto, es esencial el considerar simultáneamente el potencial minero OP y UG, buscando maximizar el beneficio del proyecto.
En cuanto al estado del arte sobre este tema, el primer método fue introducido por Soderberg y Rausch (1968), y consiste en el diferencial de costes de equilibrio entre dos métodos de extracción, como se muestra en la siguiente fórmula:
Nilsson (1982) introdujo una metodología basada en el flujo de caja. Este método tiene en cuenta las variaciones de la situación económica, incluido el impacto de la relación estéril y mineral, el tipo de interés, el coste de explotación y otros componentes (Nilsson 1992, 1997). Se trata de un método de prueba y error que se basa principalmente en la experiencia del planificador de la mina y no incluye ninguna estrategia de optimización. Además, se desconoce la ubicación del pilar de la corona y el momento de la transición.
Camus (1992) presentó una forma innovadora de estimar el valor económico del bloque (BEV) para el bloque i, que incluye el beneficio de la OP, la UG y la relación estéril mineral, como se muestra en la fórmula:
Utilizando los métodos tradicionales de optimización de rajo (pit), se puede determinar el límite del rajo para un método de explotación combinado. Este enfoque es ventajoso en los estudios de casos a gran escala, ya que sólo utiliza un modelo económico de bloque único, lo que reduce el tamaño del problema en un 50%. Sin embargo, este método tiene dificultades en la localización de los pilares de la corona y tampoco tiene en cuenta el proceso de extracción de UG.
Bakhtavar y Shahriar (2007), han utilizado un enfoque heurístico para resolver el problema de transición. En este método, el límite óptimo del pit se resuelve mediante el algoritmo de Korabov y los bloques del nivel final del pit se dividen en pequeños sub-bloques y se comparan con los valores del bloque UG. Estos pasos pueden ayudar a definir la profundidad de transición. Además, Abdollahisharif et al. (2008) también introdujeron un enfoque heurístico que esboza todas las posibles opciones de trazado minero y compara el beneficio generado por cada opción. Bakhtavar et al. (2010) presentaron un estudio de caso que empleaba este método. La desventaja del enfoque heurístico es que el resultado no es óptimo debido a la naturaleza de la metodología.
También se utilizan técnicas de modelización matemática para resolver el problema de la transición. Por ejemplo, Bakhtavar et al. (2012) desarrollaron el modelo de programación entera binaria para definir la profundidad de transición óptima. El objetivo del modelo es maximizar el beneficio global teniendo en cuenta tanto los aspectos técnicos como los económicos de los métodos de minería OP y UG. Sin embargo, este modelo matemático presenta defectos como: (1) no se tiene en cuenta una fila de bloques contiguos de OP y pilar de corona, lo que dará lugar a la ubicación del pilar de corona lejos del fondo del pit, y (2) el modelo es difícil de aplicar en casos reales debido a su problema de escala y a la intensidad de cálculo. Por último, el modelo está formulado solamente en 2D.
Opoku y Musingwini (2013) presentaron un enfoque estructurado para abordar los indicadores que guían el proceso de toma de decisiones para el problema de la transición. El método elige los factores cualitativos más significativos para el problema de la transición y los incorpora. En el estudio se consideran escenarios de casos con fines de evaluación. En el proceso de evaluación, se utiliza una técnica de comparación para superar el problema de la transición. Los autores introdujeron el término ‘indicador de transición’ para guiar la toma de decisiones. Sin embargo, este enfoque depende en gran medida de indicadores de transición predeterminados y no es un verdadero proceso de optimización de procesos.
Newman et al. (2013) evaluaron el problema de transición mediante una serie de pequeños problemas de camino más largo con el objetivo de maximizar el beneficio, que es el margen bruto descontado del nivel minado menos el coste de desarrollo UG descontado. Los principales objetivos de este método son el resolver hasta que nivel minar mediante OP o UG y cuándo realizar la transición, así como cuándo iniciar el desarrollo de la mina UG. El inconveniente de este enfoque es que la programación que se desarrolla por nivel/estrato no es práctica.
Carli y Peroni (2014) propusieron un análisis preliminar para el problema de transición. El enfoque genera, en primer lugar, el pit final óptimo utilizando la ley de corte para la minería OP y, a continuación, estima los limites UG (tras el agotamiento del pit) considerando la ley de corte para la minería UG. Este enfoque considera el OP y el UG por separado, lo que no es apropiado; como se ha mencionado anteriormente, los diseños del PO, el UG y el pilar de la corona deben considerarse simultáneamente.
Dagdelen y Traore (2014) presentaron un enfoque iterativo para determinar la profundidad de transición mediante un análisis de la programación de la producción tanto para OP como para UG. El método comienza el proceso de iteración utilizando el software Whittle para generar un límite de pit final. A continuación, se utilizan los programas Studio 5 y EPS de CAE para generar los trazados de los tajos para la explotación UG, y el programador OptiMine para la programación de la producción durante la vida de la mina. Aunque el método pretende responder a las preguntas «dónde» y «cuándo» pasar de OP a UG, la metodología tiene algunos inconvenientes. Por ejemplo, se basa en un proceso iterativo que no genera una solución óptima; supone que la transición se producirá sólo después del límite final del pit, lo que no es el caso en la mayoría de las aplicaciones; y es poco probable que el pilar de la corona se encuentre en la ubicación óptima.
Morales et al. (2015) evaluaron la envolvente económica óptima para el método de minería combinada mediante la creación de un modelo matemático. Para resolver el modelo, se desarrolla un algoritmo que parametriza el problema con respecto a la ubicación del pilar de la corona y el nivel de producción. El marco del algoritmo utiliza los cálculos del pit final para buscar tanto los planos de la mina OP como los de la UG. Los cálculos iterativos se utilizan para calcular las diferentes combinaciones del nivel de explotación OP, el nivel de explotación UG y la ubicación del pilar de corona, colocando el pilar de corona en diferentes ubicaciones. La evaluación de los resultados generados por las diferentes combinaciones indicará la envolvente de transición óptima. Las únicas críticas a este método son que se trata de un proceso iterativo y que, además, no tiene en cuenta el diseño de la mina UG, lo que hace que la envolvente de transición sea poco práctica.
Dado que muchas operaciones OP se acercan al límite final del pit y/o tienen el potencial de hacer la transición a minería UG, se requiere un método competente para manejar el problema de transición para maximizar el valor del proyecto y la utilización de los recursos.
Finalmente, Chung et al. (2016), proponen una nueva formulación de programación entera para determinar el punto óptimo de transición de minería OP a UG, estableciendo además la ubicación del pilar corona. De este ultimo articulo llamado “¿Dónde hacer la transición de cielo abierto a subterránea? Usando la programación entera”., es que se ha extraído gran parte de lo descrito en este resumen en español.
Sin duda recomendamos a los estudiantes de ingeniería de minas que puedan conocer primero como optimizar y diseñar métodos de explotación de forma independiente, para luego aventurarse en estos desafíos de la ingeniería que por qué no, en algún momento puedan encontrarse en su vida profesional.
Fuente: CHUNG, J.; TOPAL, E. and GHOSH, A.K.. Where to make the transition from open-pit to underground? Using integer programming. J. S. Afr. Inst. Min. Metall. [online]. 2016.