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Optimización Mina-Planta Repaso de la metodología Caracterización del mineral Optimización de la voladura Optimización del circuito de conminución Optimización del circuito de flotación Modelamiento geometalúrgico: optimizando el concepto Mina-Planta a lo largo de la vida de la mina Tendencias futuras de la optimización Mina-Planta

Una operación minera esencialmente consiste de una serie de procesos interconectados, con la performance de cada etapa afectando a las siguientes. La optimización de cada una de éstas en forma aislada puede resultar en un desempeño por debajo del óptimo de toda la operación. Por ejemplo, los cambios efectuados en la etapa de perforación y voladura pueden tener un efecto negativo sobre los procesos siguientes de trituración y molienda, los cuales a su vez afectan a los procesos aguas debajo de separación. Por lo tanto, es importante analizar y optimizar cada etapa del proceso en el contexto de una operación completa. La voladura se considera como la primera etapa de la conminución en la mayoría de las operaciones mineras. Ésta es una etapa de preparación eficiente y económica para las etapas siguientes de trituración y molienda, las cuales luego proveerán una reducción de tamaños mucho más fina para liberar los minerales valiosos durante la etapa de separación. En la tabla siguiente se muestra un ejemplo del consumo de energía y los costos de cada una de las etapas de la conminución para menas relativamente duras. En la misma se puede observar el incremento en costos y en el consumo de energía a medida que se avanza en las distintas etapas de la conminución. Etapa Perforación y Voladura Trituración Molienda

Energía Específica (KWh/t) 0,1 – 0,25 0,5 – 8 10 – 35

Costos (US$/t) 0,1 – 0,25 0,5 – 1 2–5

Se pueden obtener mejoras importantes en la performance de toda la mina y la planta mediante la optimización de la fragmentación durante la etapa de voladura. Para esto, se requiere la utilización de niveles apropiados de energía según el tipo de mena pero también considerando los procesos específicos situados aguas abajo, el flowsheet del circuito, tipos y tamaños de los distintos equipos de conminución y clasificación, la potencia instalada, y las especificaciones del producto final. Se han implementado varias iniciativas de optimización Mina-Planta a lo largo de los últimos 20 años con diferentes grados de éxito. La larga lista de éxitos bien documentados incluye los ejemplos presentados en la siguiente tabla y muchos más. Producto

Operación

País

Carbón

Hunter Valley

Australia

Cobre

Phu Kham

Laos

Cobre / Oro

Pt Newmont Nusa Tenggara Batu Hijau

Indonesia

Cobre / Oro

Cadia

Australia

Beneficios Reducción en la producción de finos Aumento del 8 % en la producción Aumento del 10 – 15 % en la producción Aumento del 15 % en la producción

Cobre / Molibdeno

Los Bronces

Chile

Cobre / Zinc

Antamina

Perú

Oro

Iduapriem

Ghana

Oro

Porgera

Papua Nueva Guinea

Oro

Boddington

Australia

Oro

Yanacocha

Perú

Oro

Rio Paracatu Mineracao

Brasil

Oro

Kalgoorlie Consolidated

Australia

Oro / Cobre

Cerro Corona

Perú

Mena de Hierro

Marandoo

Australia

Aumento del 10 – 15 % en la producción Aumento del 45 % en la producción Reducción del 23 % en la energía específica utilizada en la molienda SAG Aumento del 21 – 32 % en la producción Incremento del 0,5 – 1 % en la recuperación Aumento del 15 % en la producción Mejora continua constante a través del tiempo Reducción en la fragmentación del mineral ROM y en el consumo de energía y aceros en el molino SAG Estrategia operativa (mina y planta) definida por el tipo de mena para el circuito con un nuevo molino SAG Aumento del 8 – 12 % en la producción Aumento del 15 % en la producción (menas duras) Aumento del 6 % en la producción (total) Aumento en la producción de lumps (terrones)

Sin embargo, también existen referencias anecdóticas de fallas de algunas operaciones en las que el concepto de optimización Mina-Planta no funcionó. Estas fallas a menudo se pueden atribuir a varias razones, tales como:

 

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Ausencia de la estructura necesaria y de una metodología integrada Incremento indiscriminado del factor de carga (kilogramos de explosivo por por tonelada de mineral) con ninguna optimización de todos los procesos para alcanzar los beneficios esperados Los resultados no se midieron apropiadamente Los costos y la performance se midieron en la mina y en la planta como casos aislados en lugar de como un proceso global.

El objetivo de la optimización Mina-Planta es la de desarrollar e implementar estrategias integradas de explotación y procesamiento de minerales ajustadas a la operación para minimizar los costos totales por tonelada tratada y, maximizar los beneficios de la compañía de modo sostenible. Los objetivos específicos variarán para cada proyecto dependiendo de las condiciones económicas prevalecientes en el lugar. Un enfoque comprensivo del concepto Mina-Planta reconoce que cada cuerpo mineralizado y cada operación minera son diferentes, y para obtener los mejores resultados es importante integrar y optimizar a cada una de las etapas en el contexto de toda la operación. Conocer el cuerpo mineralizado, y las características del mineral dentro de éste, permite que el proceso se diseñe o se re acondicione durante la operación para ajustarse a las propiedades de la mena y al negocio en sí. Por lo tanto, los beneficios de una optimización Mina-Planta variarán dependiendo de los objetivos particulares, pero aun así, pueden incluir algunos de los siguientes:   

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Maximización de la productividad del sistema (mina y planta), incluyendo un incremento en la eficiencia de la excavación y el carguío. Minimización de los costos operativos totales con los mínimos efectos adversos, tales como dilución de la mena, daño estructural o medioambientales. Mejoras en la estabilidad de todo el proceso (reduciendo la variabilidad), resultando en una performance superior del proceso en términos de la producción (productividad y recuperación) y calidad del producto (leyes). Desarrollo de modelos precisos de pronósticos de producción. Reducción en el consumo de energía y la emanación de gases nocivos al ambiente.

Repaso de la metodología La performance en las actividades de explotación y del procesamiento de minerales se encuentra gobernada por las propiedades in situ de la mena. Por lo tanto, una optimización Mina-Planta debería iniciar con la caracterización de la mena; luego con la definición de los dominios de la misma basados en sus propiedades de voladura, conminución y metalúrgicas; y finalmente, una distribución espacial de estos dominios mapeados a través del cuerpo mineralizado. Se deben colectar y analizar datos detallados provenientes de las operaciones de voladura y procesamiento para los tipos de menas definidos, para luego ser utilizados con datos operativos históricos. Esta data puede ser empleada para desarrollar modelos predictivos específicos del sitio para cada operación (voladura, conminución, separación). Juntos, estos modelos indican cómo el proceso completo responderá a los diferentes tipos de mineral y a las distintas condiciones operativas en la mina y en la planta. Una combinación de simulaciones con una experiencia operacional extensiva puede ser utilizada para identificar problemas, cuellos de botella en el proceso y oportunidades de mejora; para finalmente informar estrategias para la optimización del proceso completo para diferentes tipos de minerales. El diseño de voladura debe ser optimizado para generar una fragmentación óptima y consistente del mineral ROM para todos los tipos de mena, de modo que se puedan ajustar y optimizar de forma acorde los procesos situados aguas abajo. Los modelos también permiten la predicción de la performance en la productividad y la recuperación para cada dominio de la mena. Creando un enlace entre éstos con el modelo de bloques y la planificación minera se puede generar un modelo geometalúrgico. Éste último puede ser utilizado para el pronóstico de la producción, la planificación y la optimización a largo plazo. La siguiente estructura de proyecto ha sido aplicada exitosamente para entregar resultados en una optimización Mina-Planta:  

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Alcance: se colectan datos históricos para identificar problemas, cuellos de botella y oportunidades de mejora en la mina y en la planta de procesamiento. Caracterización de la mena: se utilizan mediciones de la estructura del macizo, su resistencia, y sus características de fractura para definir cómo la mena se comportará durante las etapas de voladura, trituración y molienda. También se requieren las propiedades mineralógicas para definir la recuperación del mineral. Estudios, revisiones y evaluaciones comparativas: se llevan adelante estudios y revisiones de los procesos claves (perforación y voladura, trituración, molienda, flotación/lixiviación, concentración gravimétrica, etc.). Los datos recogidos son analizados y puede compararse con data de otras minas y plantas de procesamiento, permitiendo una evaluación comparativa con el desempeño pasado y/u otras operaciones. Desarrollo de modelos de proceso y simulaciones específicas para el lugar: toda la información recaudada previamente puede ser utilizada para para desarrollar modelos de regresión o simulaciones predictivas para los procesos claves (perforación y voladura,

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conminución, separación). Estos modelos pueden integrarse para para representar a las principales operaciones del proceso completo. Se pueden llevar adelante simulaciones utilizando estos modelos para evaluar diferentes parámetros operativos para cada tipo de mena (dominios) de modo de determinar diseños alternativos, modificaciones, y estrategias operativas para mejorar la productividad y la eficiencia de toda la operación. El uso de modelamientos matemáticos y simulaciones consiste en un camino rápido y económico para seleccionar potenciales estrategias operativas y obtener resultados. Validación e implementación: se debe desarrollar un plan detallado para implementar las estrategias de optimización que tienen mérito basadas en restricciones tanto de la mina como de la planta, y en un análisis costo-beneficio. Se deben medir los KPI para cuantificar las mejoras y afinar las estrategias operativas. Sustentabilidad de los beneficios: se deben incorporar los cambios recomendados dentro de los procedimientos operativos y gerenciales. Es necesario entrenar a los operarios y a los ingenieros para asegurar que los beneficios se mantengan durante un largo tiempo.

Caracterización de la mena En la siguiente tabla se presentan los típicos ensayos de caracterización del mineral en una optimización Mina-Planta. Modelo de fragmentación

Modelo de conminución

Designación de la calidad de la roca Frecuencia de fracturas

Índice de trabajo de Bond de triturabilidad Parámetros de un ensayo JK de caída de peso (A, b, ta) Índice SMC de caída de peso

Mapeo de planos y juntas Resistencia a la compresión no confinada Índice de carga puntual Módulo de Young

Índice de trabajo de Bond para molienda con barras Índice de trabajo de Bond para molienda con bolas Ensayos de impacto de Bond

Modelo de flotación/separación Estudio detallado de las muestras de la alimentación Estudios granulométricos y mineralógicos Análisis de la liberación (microscopía óptica, liberación del mineral) Ensayos de flotación en laboratorio Cinética de la flotación Todo otro tipo de ensayos específicos de separación acordes al flowsheet (concentración gravimétrica, magnética, lixiviación, etc)

Ensayos de molienda, índice de potencia SAG (SPI), ensayos SAGDesign, etc La estructura del macizo rocoso es una medición de las fracturas y discontinuidades naturales en la roca. Se determina mediante las juntas y fracturas in situ, y puede ser estimada con la designación de la calidad de la roca (RQD), la frecuencia de las fracturas y el mapeo de las juntas. La energía y los gases provenientes de una voladura tienden a despegar de la roca a lo largo de estas fracturas naturales, de modo que la estructura del macizo generalmente controla el extremo de los tamaños gruesos dentro de una distribución granulométrica generada por una voladura. La resistencia del macizo es una medición de la dureza de la matriz rocosa y puede ser analizada con ensayos de laboratorio, tales como el índice de carga puntual (PLI), los parámetros JK de caída de peso (A, b, ta), y el índice SMC de caída de peso. La resistencia a la compresión no confinada es una medición común de la resistencia y puede ser estimada a partir de los valores del ensayo PLI con el objetivo de reducir los costos en ensayos de laboratorio. La resistencia de la roca (dureza) afecta la generación de finos durante una operación de voladura.

Las mediciones de la triturabilidad y la moliendabilidad del mineral mediante ensayos de laboratorio resultan ser importantes para la evaluación y el modelamiento de los circuitos de conminución. Una mejora en la productividad de la planta a menudo puede ser lograda mediante la manipulación de la fragmentación del mineral ROM a través de una optimización de las voladuras para reducir el tamaño máximo generado e incrementar los finos producidos. En la siguiente figura se ejemplifica las propiedades y los dominios de una mena.

Optimización de la voladura La voladura es la primera etapa de la conminución en la mayoría de las operaciones mineras y no debe ser vista solamente como un medio para reducir el tamaño de la roca para las actividades de carguío y transporte. La distribución granulométrica del ROM tiene un gran efecto en la eficiencia de los procesos aguas abajo de trituración, molienda y separación; y consecuentemente la rentabilidad de todo el complejo minero. Aplicando la intensidad apropiada y una mejor distribución de la energía proveniente de la voladura considerando las características del tipo de mena se puede obtener una distribución granulométrica con un tamaño máximo controlado y la cantidad requerida de finos. No siempre se incrementa la intensidad de la voladura, sino que más bien se ajusta para adaptarse mejor a cada tipo de mena, aportando una fragmentación óptima y consistente para los procesos ubicados aguas abajo. Las características in situ de la roca, el diseño de la perforación y la voladura, y las propiedades del explosivo gobiernan la distribución granulométrica del producto fragmentado luego de una voladura, así como también, el uso eficiente de la energía emanada luego de ésta. Una auditoría detallada de las prácticas de voladura y procesamiento puede ser empleada para desarrollar modelos predictivos específicos del lugar para predecir la fragmentación resultante de diferentes tipos de mena y distintos diseños de voladura. Estos modelos pueden ser utilizados para evaluar las condiciones óptimas de voladura requeridas para un tipo particular de mena. Para evaluar, modelar y mejorar la voladura para los procesos aguas abajo es necesario medir los resultados de la fragmentación. Se pueden emplear análisis de imágenes de la pila resultante, tamizado de muestras de mineral sobre cintas transportadoras, y herramientas de medición de tamaños online para estimar la fragmentación de un mineral ROM, y las distribuciones granulométricas del producto de una trituradora y la alimentación de un molino. El modelamiento de la fragmentación obtenida con una voladura se utiliza para determinar el diseño óptimo de una voladura para cada dominio de mena considerado la estructura y la resistencia del macizo rocoso, y los parámetros de voladura, tal como se mencionó anteriormente. En el siguiente ejemplo se pueden observar distintas pautas de voladura para cada uno de los dominios de mena. La operación de voladura desarrollada teniendo en cuenta estas pautas provee una distribución granulométrica más consistente y optimizada en la alimentación de los procesos aguas abajo, incrementando la productividad, la estabilidad del proceso y la eficiencia del mismo. Siguiendo estas pautas también se evita una voladura excesiva en los dominios con mena más débil, reduciendo de este modo los consumos de energía y los costos, y previniendo la producción excesiva de material ultrafino que pudiera ser perjudicial para las etapas siguientes.

Optimización del circuito de conminución La distribución granulométrica del mineral ROM tiene un efecto importante sobre la productividad y la performance de los procesos siguientes. Una fragmentación del ROM más fina proveniente de una voladura optimizada puede permitir que se reduzca la cavidad de alimentación de una trituradora primaria, sin comprometer la producción o exceder la potencia instalada del equipo. La distribución granulométrica ROM ideal dependerá de las características de fractura de la mena, el tipo de equipo, y del diseño del circuito; así como también de las condiciones operativas. Los requerimientos para una distribución granulométrica óptima para un molino de molienda autógena, un molino SAG o circuitos de múltiples etapas de trituración son muy diferentes entre sí. Para los circuitos con un molino SAG se puede alcanzar una productividad mucho más elevada cuando la alimentación a éste tiene:   

Un tamaño máximo tan fino como sea posible La menor cantidad posible de tamaños entre 25 – 75 mm La cantidad máxima de tamaños finos pasantes -10 mm

Esto se puede observar esquemáticamente en la siguiente figura:

En la siguiente figura se presenta un ejemplo del efecto del tamaño de la alimentación sobre la producción de un molino SAG (operación Antamina, Perú):

Un cambio en la estrategia operativo de un circuito de conminución a menudo puede resultar en una reducción en el uso de potencia o en un incremento en la capacidad del circuito. Se pueden utilizar inspecciones comprensivas de la planta, data operativa histórica, y evaluaciones comparativas para desarrollar modelos específicos para el proceso de conminución. Éstos permiten la simulación de diferentes condiciones operativas, configuraciones alternativas del circuito, opciones de expansión, y mucho más. Esto facilita la evaluación de muchos escenarios, evitando las experimentaciones a base de prueba y error en la planta de procesamiento de minerales, lo cual es riesgoso y costoso ya que se incurre en la pérdida de producción. El análisis de la variabilidad de datos operativos históricos, los cálculos de potencia, y la evaluación comparativa con operaciones similares también puede ser empleado para determinar cuellos de botella y restricciones en el circuito e identificar oportunidades de mejora. Por ejemplo, se debe dar consideración a los siguientes ítems:          

Disponibilidad y utilización Utilización de potencia instalada Mediciones de la cavidad y condiciones de alimentación de los equipos de trituración Presión, velocidad de rolo, cavidad de alimentación para las máquinas HPGR Tamaño de los medios de molienda, carga de bolas, diseño del revestimiento y los lifters para los molinos rotatorios Diseño y apertura de tromel Trituración de pebbles (guijarros) Tamaños de los medios de molienda en los molinos agitados Tamaños intermedios transferidos entre los distintos equipos de conminución Cargas circulantes

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Apertura de las zarandas, área abierta, y carga Tamaño de ciclones, densidad de la alimentación

Sin embargo, las restricciones y limitaciones no siempre están asociadas con las partes importantes de los equipos principales, sino más bien equipos auxiliares o ítems asociados al transporte de materiales, tales como limitaciones en el bombeo o en el transporte mediante cintas transportadoras, o restricciones de agua y/o energía. Los circuitos que utilizan tecnologías modernas tales como máquinas HPGR y molinos agitados se han vuelto más comunes debido al creciente desafío de considerar el suministro y costo de medios de molienda, energía y agua. La conminución consiste en la parte más demandante de energía dentro de la cadena productiva de minerales (típicamente contabilizando más de la mitad del consumo de energía total en una planta de procesamiento), y el consumo de energía se incrementa a medida que se desea reducir más el tamaño de una partícula. Por lo tanto, esto último solo debe llevarse al punto de los requerimientos en tamaño para tener una etapa efectiva de separación. Se debe tener un buen entendimiento de la relación existente entre el tamaño final de molienda y la performance de la etapa siguiente de separación de modo de encontrar la compensación óptima entre el tamaño de molienda (producción y consumo de energía) y la recuperación de metales deseados.

Optimización del circuito de flotación En muchos proyectos Mina-Planta, para las operaciones existentes, la capacidad del circuito de molienda es limitada. Sin una inversión capital significativa para instalar equipos adicionales, un incremento en la producción puede resultar en hacer más grueso el tamaño de producto del circuito de molienda, aun con una optimización del circuito. Dependiendo de las características de la mena y su liberación, esto puede tener un efecto perjudicial sobre la recuperación metálica de un circuito de flotación (aunque en algunos casos la reducción de material ultrafino puede tener un efecto positivo sobre la recuperación de la flotación). Los circuitos de conminución y flotación tradicionalmente han sido estudiados, analizados y optimizados en forma separada. Esto a menudo finaliza en resultados por debajo del óptimo debido a la complejidad de las interacciones existentes entre ambos procesos. La recuperación obtenida en un circuito de flotación se encuentra fuertemente influenciada por la distribución granulométrica de los minerales valiosos en la alimentación. Las recuperaciones más altas se alcanzan con tamaños de partícula intermedios, con recuperaciones menores en la franja de los tamaños ultrafinos debido a una cinética pobre de flotabilidad, y también en los tamaños más gruesos como consecuencia de una menor liberación. Entonces, para optimizar la ley y la recuperación en un proceso de flotación, usualmente lo mejor es moler hasta obtener un tamaño fino. Este requerimiento necesita estar en un punto de equilibrio entre el costo de una molienda más fina y del ingreso económico que resulta de un aumento en la producción del molino, lo cual a menudo resulta en hacer más gruesa la alimentación al circuito de flotación. Este último puede ser ajustado y optimizado para una alimentación con tamaños mayores en caso de ser necesario, haciendo un uso más intensivo de una etapa adicional de remolienda, cuando se disponga de la misma. Existe un costo asociado a una molienda más intensiva hasta obtener un tamaño más fino de partícula. El consumo de energía se incrementa a medida que se quiere reducir el tamaño producto de una molienda, mientras que el tonelaje capaz a ser procesado en un circuito de molienda puede llegar a reducirse considerablemente en función del tamaño de molienda objetivo del mismo. Si lo que se está buscando es optimizar la rentabilidad de toda la operación entonces es importante comprender la relación existente entre el tamaño final de molienda y la performance del conjunto ley-recuperación en la etapa de flotación. Una técnica recomendada es mediante el uso de relaciones simples calibradas con datos medidos rutinariamente en una operación, de modo de poder predecir la recuperación de una flotación en función del tamaño de molienda. Además de una integración entre los circuitos de conminución y flotación, en un estudio de optimización Mina-Planta, un circuito de flotación puede ser evaluado y optimizado por sí solo. Esto involucra su estudio para identificar posible oportunidades para mejorar el desempeño metalúrgico del mismo (leyes y recuperaciones). La escala de un ejercicio de optimización de una flotación puede variar desde un análisis simple para determinar el tamaño de moliendaóptimo

requerido hasta una evaluación comprensiva del circuito que incluye inspecciones, caracterizaciones de celdas, ensayos de flotación batch, análisis de liberación, balances de masas, desarrollo de modelos y simulaciones. Adicionalmente se pueden realizar mediciones o estimaciones de parámetros de una flotación tales como (1) tamaño de burbuja, (2) capacidad de carga de la burbuja, (3) ratio de gas superficial, (4) capacidad de sostener las partículas por parte de una burbuja, (5) área superficial de las burbujas, (6) capacidad de carga y transporte, (7) umbral de carga, (8) tiempo de residencia, (9) estabilidad de la espuma, y (10) profundidad de la espuma; de modo de identificar posibles caminos para mejorar la performance de una celda o un banco de celdas. Esta información, junto con estudios detallados, data operativa histórica, y la cinética de flotación; puede ser utilizada en el modelamiento y simulación de circuitos de flotación con el objetivo de evaluarlos y optimizarlos. Estas técnicas de análisis son útiles para: 

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Determinar las características del mineral valioso no recuperado (por ejemplo, tamaño y grado de liberación) y las razones por las cuales no ha sido recuperado (por ejemplo, tiempo de residencia insuficiente dentro del circuito, una selectividad pobre, una molienda previa que haya sido insuficiente, un grado de liberación pobre, cantidad insuficiente de reactivos, oclusiones en la superficie por oxidación de la misma) Comprobar cuál es la configuración óptima para el circuito de flotación Determinar los tamaños óptimos de partícula para la alimentación y la remolienda Establecer estrategias para optimizar la operación de la celda Cuantificar los beneficios para los procesos aguas abajo asociados con los cambios efectuados en los circuitos de conminución (por ejemplo, tonelaje y tamaño de partícula producto de la molienda)

Modelamiento geometalúrgico: optimizando el concepto Mina-Planta a lo largo de la vida de la mina La optimización Mina-Planta no solo debe ser considerada a corto plazo. Para permanecer competitivo ante los crecientes desafíos en la extracción de minerales valiosos, la industria minera requiere de metodologías y herramientas para mitigar los riesgos, y para asegurar la mayor rentabilidad operativa a lo largo de la vida de la mina. Para mantener esto en el largo plazo, es crucial ser capaz de predecir con precisión la performance futura del proceso así como también su interacción con las prácticas mineras. Esto requiere entender con exactitud cómo cada etapa de la operación se comporta con las diferentes características de la mena, así como también un conocimiento detallado de las características relevantes de la mena así como su distribución a lo largo de todo el cuerpo mineralizado. El concepto de geometalurgia integra las disciplinas de la geología, la minería, y la metalurgia con el objetivo de desarrollar estrategias operativas proactivas en función de la variabilidad del mineral. Un modelo geometalúrgico requiere una comprensión detallada de las características relevantes de la mena, y modelar cómo esto puede afectar la performance de las etapas de voladura, trituración, molienda, y separación en términos de producción, recuperación y ley del producto. Esta técnica provee un enlace el desempeño obtenido en el proceso, o la eficiencia de la extracción, y las propiedades físicas de la mena. Éste, a su vez, facilita el pronóstico de la producción y permite una planificación estratégica junto con una optimización para los distintos tipos de minerales, de modo que se pueda maximizar la rentabilidad de la operación en términos de un largo período de tiempo. Los modelos de bloques de la mina pueden utilizarse como un marco de referencia para el desarrollo de modelos geometalúrgicos. El proceso inicia con la metodología Mina-Planta detallada en antes en este capítulo. Los modelos predictivos específicos del lugar generados para las etapas de voladura, conminución y separación permiten la predicción en cuanto a productividad y recuperación de cada uno de los dominios que fueron definidos en la mena y, cuando se los combina con la planificación minera, permiten un pronóstico de producción para toda la vida de la mina.

Tendencias futuras de la optimización Mina-Planta A medida que se agotan los yacimientos más accesibles y de altas leyes, se espera que los nuevos que se vayan descubriendo sean de bajas leyes, más complejos y difíciles de extraer. Adicionalmente, la industria minera está enfrentando crecientes desafíos asociados con el costo y el suministro de energía, recursos limitados de agua y requerimientos legales cada vez más restrictivos. Por lo tanto, se ha vuelto cada vez más importante la búsqueda de tecnologías y prácticas que sean más económicas y sustentables. Muchas de las estrategias empleadas para mejorar la sustentabilidad de las operaciones mineras no son novedosas pero involucran nuevas aplicaciones de tecnologías existentes y soluciones adecuadas basadas en el conocimiento de la mena y el proceso en sí. Se pueden utilizar tecnologías existentes de otras industrias, o aquellas que ya son propias de la industria minera comenzar a ser aplicadas en nuevas formas que permitan una maximización de la eficiencia. Además, poseer un entendimiento de los efectos de cada una de las etapas constituyentes de un proceso aguas arriba y aguas abajo permite que se disponga de una optimización total del proceso. Las operaciones mineras necesitan ser más eficientes para permanecer económicamente viables alcanzando objetivos medioambientales. Generar mejoras en el uso eficiente de los recursos incrementa los ingresos económicos de un proyecto, lo cual marca la diferencia entre un proyecto viable y uno que no lo es. Duffy et al (2015) propusieron que en el futuro un proceso minero para que sea más eficiente en lo que respecta al uso de sus recursos y en una forma ecológicamente amigable, debería incorporar los siguientes métodos: 

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Voladuras selectivas de alta intensidad (HISB), las cuales tienen la capacidad de mejorar la fragmentación de la roca y reducir los requerimientos de energía para los procesos aguas debajo de conminución. Trituración in-pit seguido de transporte con cintas (IPCC), considerada un método de transporte más eficiente tanto de mena como de roca estéril en comparación con la operación convencional de palas y camiones, eliminando el uso de combustible diesel. Cintas transportadoras con un ángulo pendiente muy pronunciado (HAC), las cuales pueden facilitar la remoción de material desde las profundidades de un pit mediante caminos más cortos. Preconcentración utilizando zarandas para descartar el material pobre, con una consecuente reducción en los requerimientos de transporte en camiones y en procesamiento por tonelada producida. Nuevos circuitos de conminción que incluyan tecnologías alternativas más eficientes en el uso de la energía y que procesen en seco, tales como máquinas HPGR, molinos de rolos verticales (VRM), y clasificadores con aire.

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Reemplazo parcial o total de hidrociclones con zarandas de malla fina para mejorar la eficiencia de los circuitos existentes de molienda en húmedo. Flotación de partículas gruesas, con el objetivo de reducir significativamente la energía consumida en las etapas previas de molienda. Implementación de filtración y apilamiento de colas secas para reducir el consumo de agua, con una recuperación mucho más elevada de agua en comparación con los tradicionales diques de colas, y reduciendo costos asociados al cierre de operación.

En las siguientes secciones se describen más detalladamente cada uno de los conceptos recién mencionados.

Voladuras selectivas de alta intensidad Las voladuras selectivas de alta intensidad involucran un aumento y una mejor distribución de la energía de voladura, todo esto gracias al uso de sistemas avanzados de iniciación para proveer una voladura más selectiva. El resultado obtenido es no solo una mejora en la fragmentación sino también una demanda menor de energía en los procesos de conminución ubicados aguas abajo dentro del proceso. Los niveles de energía pueden llegar a doblegar a los comúnmente utilizados en las voladuras normales. Esta práctica puede requerir cambios significativos en las operaciones de perforación y voladura, y posiblemente, una nueva adaptación a los equipos de perforación para permitir la realización e simultáneo de varios blastholes con una sola torre. Como consecuencia, se obtiene una fragmentación controlada desde el punto de vista del tamaño máximo como de los finos producidos, tal cual se observa en la siguiente figura.

Con estas voladuras el tamaño máximo de una mineral ROM puede reducirse hasta menos de 400 mm en comparación con tradicional ROM cuyos tamaños máximos son de alrededor de 1 – 1,5 m. Los beneficios de esta práctica incluyen una maximización de la productividad en el sistema (mina y planta), un incremento en la eficiencia de las tareas excavación y carguío de mineral, una mejor estabilidad de todo el proceso, una minimización en los costos totales de operación. El desarrollar voladuras selectivas de alta intensidad también hace más viable el uso de sistemas de trituración in-pit debido a que se dispone de un tamaño máximo de mena más reducido.

Trituración in-pit y sistema de transporte mediante el cintas La trituración in-pit consiste en el uso de trituradoras totalmente móviles, semimóviles o fijas dentro de un pit de explotación junto con un sistema de cintas transportadoras para remover el material desde éste. Estos sistemas pueden eliminar el uso de combustible diesel y resultan ser más eficientes que las operaciones convencionales de pala y camiones. La economía de los sistemas de transporte mediante cintas son particularmente atractivos para las operaciones que involucran el movimiento de grandes volúmenes de material, sumado a que el transporte convencional con camiones sea hace cada vez más costoso a medida que se profundiza en el pit. Las ventajas principales de disponer un sistema compuesto por una trituración in-pit con cintas transportadoras son (1) bajos costos operativos, (2) se requieren pocos suministros, (3) poseen una mayor capacidad de transporte, (4) emisiones reducidas de gases nocivos para el medioambiente, y (5) mayor seguridad. Los costos operativos por lo general son un 20 – 60 % más bajos en comparación con un sistema de palas y camiones. Los beneficios depende de las condiciones del lugar; sin embargo, estudios han indicado reducciones en los costos operativos entre 1,8 – 2,5 US$/t en comparación con las operaciones convencionales donde todavía se opta por la metodología tradicional de carguío con palas y transporte de mineral en camiones de gran porte (Cooper 2008). Adicionalmente, estudios realizados por Norgate y Haque (2010) y Koehler (2010) indicaron potenciales reducciones en la emisión de gases nocivos al ambiente de alrededor de 100000 – 150000 toneladas de CO2/año. A todo esto, los sistemas de trituración in-pit con citas transportadoras requieren evaluaciones cuidadosas de factores geológicos, técnicos y económicos específicos de la operación. Estos sistemas necesitan ser factorizados dentro del diseño de la mina, debido a que generalmente son más complejos y menos flexibles que las operaciones con palas y camiones, además de requerir mayor cantidad de tiempos de entrega y construcción. El costo capital de estos equipos es muy elevado pero en cuestión de 4 o 5 años se termina amortizando.

Preconcentración El objetivo de la preconcentración es la de descartar el material pobre o de rechazo temprano en el proceso, reduciendo la cantidad de mineral que necesita ser procesada en los procesos situados aguas abajo. Esto reduce significativamente el consumo de agua y energía, y el costo operativo por tonelada tratada. Se mejora la eficiencia en el uso de los recursos extendiendo la utilización de los mismos (bajando la ley de corte de la operación) y/o incrementando los ratios de producción por tonelada tratada. Para algunas menas, la preconcentración puede lograrse mediante el uso de zarandas, usando como parámetro que los minerales valiosos sean más débiles o más friables que la ganga, concentrándose éstos en fracciones de tamaños menores luego de atravesar las etapas iniciales de fragmentación. Las zarandas poseen una capacidad razonablemente alta, bajos costos y son técnicamente seguras. En los casos que la relación existente entre leyes y tamaño de partículas no permita una separación efectiva, es posible obtener un enriquecimiento mediante el uso de un sensor para medir la diferencia entre los materiales valiosos y la roca sin valor. Existe una variedad de sensores disponibles para efectuar la medición y análisis de diferentes propiedades de la mena, siendo los más comunes los fotométricos, electromagnéticos, radiométricos y rayos-X. La tecnología actual tiene la capacidad de medir y separar partículas individuales, lo cual hace que se limite la productividad de la operación. Para ser práctico en las aplicaciones de preconcentración para las operaciones mineras a gran escala, se debe utilizar sensores en grandes cantidades de minera (como por ejemplo, sobre la carga de los camiones o en cintas transportadoras). La mayoría de las tecnologías con sensores empleadas en la actualidad no son adecuadas para emplearse en grandes volúmenes de material, ya que éstos son muy lentos o no son lo suficientemente penetrantes sobre la carga de mineral a analizar. Aun así, es posible adaptar las tecnologías actuales para la lectura de grandes cantidades de mineral. La separación mediante preconcentración del material conlleva grandes beneficios cuando se tratan yacimientos con una gran heterogeneidad natural, por lo que debe ser aplicada lo más pronto posible, en la mina, ni bien se efectúa la carga de mineral en camiones, o en un sistema de cintas transportadoras luego de una trituradora in-pit.

Circuitos y tecnologías de conminución eficientes en el uso de la energía La conminución constituye la etapa que consume más energía dentro de una planta de procesamiento de minerales, totalizando más de la mitad de la energía total consumida en todo el proceso.

Los nuevos circuitos de conminución pueden incluir tecnologías alternativas a los molinos rotatorios, tales como las máquinas HPGR, los molinos de rolos verticales (VRM) y los molinos agitados. Todos estos equipos han demostrado ser más eficientes que los molinos convencionales. Las máquinas HPGR y los VRM poseen la ventaja adicional de ser procesos en seco, lo cual reduce las pérdidas de agua. Además, no requieren de medios de molienda, lo cual también reduce los costos operativos, y en algunos casos, se puede lograr una mejora en la performance de una etapa siguiente de flotación al reducir las interacciones galvánicas sobre la superficie de las partículas. Ambas tecnologías han demostrado diversos beneficios en el proceso en las pruebas a escala piloto de menas duras. Los nuevos diseños, tales como aquellos que posee un HPGR seguido de molinos agitados, pueden tener una reducción significativa de energía consumida en los procesos de conminución (Valery y Jankovic 2002). En las operaciones existentes, un típico diseño de circuito de molienda utiliza un molino de bolas en circuito cerrado con una batería de hidrociclones. El reemplazo parcial o total de hidrociclones por zarandas con mallas finas puede mejorar la eficiencia del proceso. Un circuito cerrado con zarandas se espera que tenga un incremento del 15 – 20 % en su capacidad, con cargas circulante significativamente menores debido a una mejor eficiencia en la clasificación (Jankovic y Valery 2012). Una clasificación con dos etapas de ciclones seguidos de zarandas puede alcanzar una gran eficiencia pero con una capacidad mucho menor de tamizado en las zarandas. Una evaluación económica conservadora sugiere, que, el reemplazo de ciclones con zarandas de tamices para partículas finas puede ser justificado con un ahorro de costos en energía de alrededor de 160 US$/MWh en algunas operaciones. Los beneficios pueden ser aún mayores cuando se trata de minerales valiosos con una gravedad específica mucho mayor que la ganga. Sin embargo, todavía se necesita de mucho desarrollo para hacer que estas zarandas para tamaños muy finos se ajusten a las grandes producciones demandadas por los circuitos de molienda actuales.

Flotación de partículas gruesas La energía de molienda demandada crece exponencialmente a medida que se reduce el tamaño de la partícula. Por lo tanto, si se aplicase una flotación para partículas gruesas se necesitaría una cantidad más reducida de energía consumida en las etapas de molienda precedentes para entregar un producto apto para ser flotado. Por lo general, la recuperación de la flotación decrece para las partículas más gruesas a 0,1 mm. Sin embargo, si se puede llevar a cabo en forma efectiva una flotación con partículas de 0,3 mm en lugar de 0,1 mm, el ahorro en energía de molienda puede llegar a ser de hasta 30 – 50 %. Una etapa de flotación rougher con tamaños más gruesos podría rechazar el material sin valor previo a una etapa de remolienda seguido de una flotación de limpieza, requiriéndose cantidades menores de material para obtener el producto final deseado. La flotación de partículas gruesas en celdas convencionales puede ser implementada si se aplican modificaciones en el diseño de la celda y en la filosofía operativa. Esto puede incluir (1) un

acondicionamiento diferenciado de los reactivos, (2) manipulación del régimen turbulento del flujo (3), optimización del tamaño de burbuja, (4) incremento de la estabilidad de la espuma, (5) y minimización del tiempo de residencia de la espuma (Tabosa et al 2013).

Optimización en la recuperación de agua La industria minera comúnmente consume de 0,6 – 1,0 m3 de agua por cada tonelada de mineral procesado mediante flotación (Brown 2003; Norgate y Lovel 2006; Wiertz 2009). La mayor parte del agua se pierde en forma de evaporación y fugas en los diques de colas. Las plantas por lo general hacen un reciclado del agua, a pesar de esto, los balances de aguas de dichos lugares han revelado que hasta un 70 % del agua descargada en tales diques convencionales para la disposición de colas puede llegar a perderse. Una técnica que ha tomado auge últimamente es el apilamiento en seco de colas previamente filtradas, especialmente en aquellos lugares donde el suministro de agua es muy limitado o donde se está ante un elevado riesgo de actividad sísmica (conllevando esto último a un alto riesgo de fallas en los diques). Se puede obtener una gran recuperación de agua con este método en comparación con los métodos tradicionales. Adicionalmente, se puede mencionar que los costos de cierre se ven significativamente reducidos debido a que se cuenta con una huella operativa (footprint) mucho menor, es más sencillo de construir, y la posibilidad de una rehabilitación progresiva del lugar. En la actualidad, solo existen pocas operaciones que aplique el apilamiento en seco de colas debido a que los costos de filtrado de la pasta son demasiado elevados. Sin embargo, se calcula para dentro de 10 años, la legislación prohibirá la deposición de colas húmedas en algunos países.

Voladuras Propósito de las voladuras en la industria minera Interacción explosiva en la roca: qué sucede en una voladura? El efecto de las voladuras en los procesos aguas abajo Medición generado por la voladura Optimización de las voladuras Casos de estudio de los proyectos de optimización de las voladuras Mina-Planta Desafíos en la implementación Conclusiones Comparación de fragmentaciones estimadas a partir de los modelos Kuz-Ram y JKMRC

Propósito de las voladuras en la industria minera En la mayoría de las operaciones mineras, la mena in situ es separada de la roca estéril y sometida a una serie de procesos de fractura y separación para convertirla en un producto valioso. La rentabilidad en esta industria depende de que tan eficientemente la roca in situ se convierte en un producto final. Debido a que los procesos de fragmentación y separación que tienen lugar en la mina y la planta son interdependientes, tradicionalmente, los procesos llevados a cabo en dichos lugares son gestionados como centros de costos separados y optimizados con poco entendimiento del impacto que tiene uno sobre el otro. La voladura es la primera etapa en tales procesos de fragmentación y separación, pero tradicionalmente, el propósito principal de las operaciones de perforación y voladura en la mayoría de las minas metálicas es la de fracturar al macizo rocoso y convertirlo en una pila de escombros con una distribución apropiada de tamaños, de modo que los equipos de excavación puedan cargarlos y transportarlos eficientemente. El desprendimiento causado por la voladura se espera que sea seguro sin causar ningún movimiento descontrolado, lo cual evita riesgos para las personas y equipos, sin causar daños al macizo rocoso circundante (o muros), ni impactos medioambientales tales como vibraciones en el suelo, proyección de rocas, ruidos y generación de polvos. Durante las últimas dos décadas, diversos investigadores han demostrado que todos los procesos que componen la cadena de valores en una producción Mina-Planta son interdependientes y, han comprendido que el impacto que tiene el producto de una voladura sobre la eficiencia de todo el proceso es crítica para mejorar la rentabilidad total del proyecto. El propósito de este capítulo es el de discutir la importancia del producto generado luego de las operaciones de perforación y voladura sobre los procesos de conminución y separación en la cadena de valores Mina-Planta, y luego utilizarla como un impulso para mejorar la rentabilidad total en lugar de una serie de proceso o simplemente uno de éstos. Este capítulo incluye discusiones de las siguientes áreas:     

Interacción entre el explosivo y la roca durante la voladura y una explicación de qué sucede durante la misma Resultado final de una voladura y su efecto sobre la eficiencia de los procesos situados aguas abajo Diferentes enfoques del modelamiento utilizados para predecir la fragmentación de una voladura, el desprendimiento de mena, dilución Mediciones del producto generado por una voladura El enfoque tradicional de optimización y sus desventajas comparadas con un enfoque holístico de optimización Mina-Planta

Interacción explosiva en la roca: qué sucede en una voladura? La interacción del macizo rocoso con los gases desprendidos a alta presión y temperatura por la detonación de un explosivo resulta se considera como un proceso muy complejo (Fourney 1993). Durante una voladura, la roca in situ se fragmenta y mueve como consecuencia de las propiedades del explosivo, las características estructura, físicas y mecánicas del macizo rocoso, y el confinamiento que se le provee a los gases desprendidos por la explosión. La distribución de tamaños de las partículas (PSD) de una pila de escombros formada a partir de una voladura se forma por:   

Las nuevas fracturas creadas por la carga detonante explosiva Extensión de las fracturas in situ de la roca en combinación con las nuevas generadas Liberación de los bloques in situ y de los nuevos que se formen

La detonación es el inicio del proceso de fragmentación de la roca en una voladura. Se detona un explosivo confinado dentro de un pozo de voladura mediante un booster de pentolita, el cual a su vez era iniciado por un detonador, tal cual se observa en la siguiente figura. El detonador puede ser iniciado en cualquier tiempo preestablecido y la precisión de su tiempo depende de si se trata de un detonador electrónico o de un tubo pirotécnico convencional. Una vez iniciado, los ingredientes del explosivo situados dentro del blasthole se convierten rápidamente en productos gaseosos a temperaturas y presiones muy elevadas. La reacción química producida (detonación) viaja a lo largo de la columna del explosivo generalmente a una velocidad de 3000 – 6000 m/s, la cual se define como la velocidad de detonación (VOD). En la siguiente tabla se presenta la presión de los gases generados para los explosivos comerciales y de uso militar, tal como el PETN (pentaeritritol tetranitrato).

Tipo de explosivo

Densidad (g/cm3)

ANFO ANFO Pesado Emulsiones Explosivos Militares

0,8 – 0,85 1,1 – 1,35 1,1 – 1,25 1,3 – 1,4

Velocidad de detonación (m/s) 3500 – 4500 4500 – 5500 5000 – 6000 7000 - 7500

Presión de explosión (GPa) 2–4 6 – 10 7 – 11 16 – 20

La presión de explosión de los explosivos comerciales es de alrededor de 2 – 10 GPa, mientras que la resistencia dinámica a la compresión de la mayoría de los macizos rocosos es menor a 300 MPa. Por lo tanto, la presión de los gases de una explosión dentro de un blasthole es mucho más elevada (al menos 1000 veces más) que dicha resistencia de la roca. El impacto repentino de los gases a alta presión provenientes de una explosión sobre las paredes de un barreno transmite una onda expansiva de tensión compresiva en todo el macizo rocoso de alrededor (ver siguiente figura). Si la intensidad de la tensión generada con la explosión es superior a la resistencia dinámica a la compresión de la roca, se tiene una pulverización de la matriz rocosa. La distribución granulométrica dentro de esta zona se espera que sea mucho menor que el tamaño de grano de la matriz rocosa. En la mena volada, la extensión de la zona de trituración puede tener un efecto importante sobre la eficiencia del circuito de molienda debido a que la mayoría de las partículas provenientes de esta zona requieren muy poca molienda adicional. El alcance de dicha zona de trituración depende de la magnitud de la presión proveniente del blasthole, la resistencia dinámica a la compresión, y el módulo elástico del macizo rocoso. En una determinada roca, los explosivos con una elevada velocidad de detonación, tal como es el caso de las emulsiones, producen una zona de trituración

de mayor alcance que los explosivos cuya velocidad de detonación es más baja (tal como sucede en el caso de los ANFO o los ANFO diluidos). De forma similar, un explosivo determinado produce una zona de trituración mucho más pequeña en una roca con características de más dura por sobre una considerada más débil.

Más allá de la zona de compresión, las ondas de choque comprimen al material impactándolo con la parte frontal de la onda e inducen tensión tangencial conocida como “esfuerzo circunferencial”. Si la intensidad de este esfuerzo circunferencial es superior a la resistencia dinámica a la tracción, se desarrollarán fracturas radiales por efecto de la tracción. Tanto los componentes a la compresión como a la tracción de las ondas expansivas van disminuyendo a medida que aumenta la distancia al blasthole. Cuando la onda compresiva golpea una cara libre, casi toda la energía se reflecta como onda a la tracción y desarrolla fracturas denominadas resquebrajaduras.

Generación de microfisuras Debido a que las ondas formadas en una voladura son pasajeras, las fracturas radiales más importantes no tendrán el tiempo suficiente para propagarse, por lo que se ramificarán generando microfisuras. Éstas no se propagarán muy lejos, pero su área superficial total en el macizo rocoso puede ser 10 – 100 veces mayor que la superficie total original de los fragmentos primarios en la voladura. Generalmente, se formarán más microfracturas con un incremento en la magnitud de la energía liberada. Por lo tanto, se espera que las voladuras que liberan una gran cantidad de

energía mediante el uso de explosivos con una elevada velocidad de detonación generen micrifisuras mucho más intensas.

Fragmentación y fractura debido a la penetración de gases Durante y luego de efectuada la propagación de las ondas tensoras, los gases confinados por las paredes del blasthole tienen la facultad de penetrar en las fracturas (las que in situ y las nuevas generadas por las ondas expansivas) y expandirse más allá de éstas. Algunos investigadores creen que la red de fracturas a lo largo del macizo de rocoso se completa antes de generarse la presión de los gases. Otros, en cambio, sostienen que una porción importante del proceso de fracturación tiene lugar durante la fase de expansión de la presión generada por los gases.

Efectos de las discontinuidades sobre la fractura Las discontinuidades y los planos de fracturas situados dentro del macizo rocoso tienen un papel preponderante en el mecanismo de fragmentación. Cuando las ondas expansivas provenientes de un blasthole rodean una discontinuidad o una veta mineralizada, una parte de la energía se refleja en forma de onda de tracción, creando nuevas fracturas a lo largo del plano de fractura. La propagación de fracturas radiales formadas por la onda expansiva se detendrá cuando éstas encuentren una discontinuidad, pero la energía se disipará mediante la formación de microfracturas a lo largo de la misma. La subsecuente penetración de los gases de la explosión también tienen la capacidad de expandir las fracturas pre-existentes, haciendo que se liberen las partículas encerradas por estas discontinuidades, y además, también liberando el material que forma parte de éstas. Si las discontinuidades se encuentran mineralizadas, entonces la fragmentación a lo largo de las mismas tendrá un efecto muy importante sobre las características de liberación de la mena en los procesos situados aguas abajo.

Movimiento generado por la voladura

Trituradoras de mandíbulas y de impacto Trituradoras de mandíbulas Trituradoras de impacto

Trituradoras giratorias y de cono Trituradoras giratorias Trituradoras de cono

Trituradoras de rolos y Sizers Principios y terminología Construcción y diseño Aplicación y operación

Selección de la trituradora y optimización de su performance Selección de la trituradora Optimización de la performance

Tecnología HPGR Descripción de un HPGR Parámetros operativos Equipos industriales Ensayos y modelamiento Circuitos HPGR Costos capitales y operativos Conclusión

Diseño de un circuito de molienda Determinando el punto de diseño Determinando los requerimientos de energía para la molienda Determinando los requerimientos de potencia motor Determinando las dimensiones del molino Diseño de un molino Selección de la transmisión de un molino Condiciones operativas iniciales Clasificación Muestreo

Flowsheets de los circuitos de molienda Flowsheets de un molino SAG Flowsheets compuestos por un molino SAG, un molino de bolas y una trituradora de pebbles Circuitos con un molino de bolas primario Molienda en seco Remolienda y molienda ultrafina Selección de un flowsheet de molienda Conclusiones

Optimización de la performance de un circuito de molienda Planificación del proyecto Fundamentos del proceso Diagnóstico de la performance Control del proceso

Tecnologías de molienda Molienda autógena, molienda semiautógena y procesamiento de los pebbles Molinos de bolas Molinos de compartimentos múltiples Molinos de barras Scrubbers Molinos agitados Tecnologías de molienda por compresión

Ensayos y cálculos para las máquinas de conminución Bond Ensayos de Bond para circuitos AG/SAG Morrell SAG Power Index Metodología de Ausenco Ensayos JKTech Proliferación de los ensayos Modelos de potencia Predicción del desgaste de aceros Modelamiento de la simulación de un proceso