La minería subterránea de metales es un proyecto de ingeniería de sistemas que abarca el desarrollo, la preparación de las galerías y la extracción del mineral, y la voladura es necesaria en cada etapa. Por esta razón, la voladura segura y eficiente sigue siendo un tema central de investigación para los profesionales de la minería.
Actualmente, las minas de metales se encuentran en una fase de transición crucial: de depósitos superficiales a profundos, de condiciones de extracción fáciles a difíciles, y de minerales de alta ley a bajos. Este cambio plantea nuevos desafíos en teoría, tecnología y equipamiento. En este contexto, la investigación sobre tecnologías clave para la minería subterránea ha adquirido una importancia fundamental. En la actualidad, los avances más significativos se concentran en cinco áreas: perforación y voladura de rocas, transporte y elevación, refuerzo de macizos rocosos, relleno con pasta y control remoto. Esta revisión describe la trayectoria de desarrollo y los últimos avances en cada área.
1. Tecnología de perforación y voladura de rocas
La perforación y voladura de rocas es una tecnología fundamental en la minería de metales, pero históricamente también ha sido un punto débil. Por lo tanto, la mejora continua en la eficiencia de la perforación y voladura es crucial para una minería segura y de alta eficiencia. Sigue siendo el método principal para la fragmentación del mineral en el subsuelo. La tecnología ha evolucionado desde la perforación manual hasta las perforadoras neumáticas, hidráulicas, jumbos de perforación (incluidos los sistemas de perforación de conos de rodillos y de fondo de pozo) y, actualmente, los robots de perforación. En general, la dirección es clara: de la mecanización a la automatización, la inteligencia y una operación más limpia.
Tras una larga investigación, muchos países han desarrollado equipos de perforación adecuados para una amplia gama de condiciones. En los últimos años, gracias a la mejora de estos equipos, países como Estados Unidos y Canadá han introducido en la minería subterránea conceptos de perforación y voladura propios de las minas a cielo abierto. La perforación de subniveles con barrenos de longitud media se ha ido sustituyendo progresivamente por métodos de perforación profunda de gran diámetro, con buenos resultados prácticos. Por ejemplo, Suecia ha desarrollado una serie de jumbos perforadores para túneles que destacan por su alta eficiencia, seguridad y baja contaminación. Paralelamente, China ha desarrollado de forma independiente jumbos perforadores de tres brazos totalmente computarizados que integran las operaciones de movilidad, perforación y carga. Estos sistemas son fáciles de operar, más seguros y con menores costes de construcción. Dichos equipos han mejorado la calidad y la eficiencia de la perforación, reducido la intensidad de la mano de obra y el riesgo operativo, e incrementado los niveles de automatización, inteligencia y desempeño ambiental.
Debido a la gran variabilidad de las condiciones en las minas subterráneas y a los diferentes requisitos operativos para la construcción de galerías y la explotación minera, los métodos de voladura en las minas subterráneas tradicionales se han diversificado cada vez más. Entre las técnicas más utilizadas se encuentran la voladura con retardo de milisegundos, la voladura por compresión y la voladura suave, las cuales mejoran la calidad de la voladura en distintos grados.
Gracias al continuo progreso técnico, la voladura convencional está evolucionando hacia la voladura de precisión, la voladura ecológica y la voladura inteligente. La voladura de precisión se basa en un diseño refinado de los parámetros del patrón de barrenos, la investigación sobre el consumo de energía de la voladura y la planificación de la voladura mediante simulación para construir un marco de voladura de precisión. La voladura ecológica utiliza principalmente nuevos agentes combustibles en lugar de explosivos convencionales, lo que elimina la producción de gases de explosión y mejora significativamente la calidad del aire subterráneo. La voladura inteligente integra un diseño de voladura inteligente, equipos inteligentes, predicción inteligente de la vibración de la voladura y reconocimiento automático de los barrenos restantes para formar un sistema de voladura inteligente.
En esta era de rápida innovación, las tecnologías de fractura de roca también se están expandiendo más allá de la voladura convencional hacia métodos mecánicos y físicos no explosivos. Por ejemplo, las máquinas de minería continua pueden fracturar mecánicamente mineral y roca de dureza media o blanda con alta eficiencia y condiciones de trabajo favorables, lo que ayuda a controlar la presión del terreno. Los métodos de chorro de agua a alta presión y fractura térmica superan las limitaciones de la fractura de roca puramente mecánica y evitan el polvo y las chispas, mejorando significativamente el entorno de trabajo. Sin embargo, debido al alto consumo de energía, el alto costo y el severo desgaste de las herramientas, estos métodos aún no se han adoptado ampliamente en China. Además, China comenzó relativamente tarde en la I+D de tecnología de la información e inteligencia artificial para la minería, y las tecnologías clave de minería inteligente todavía dependen en gran medida de fuentes extranjeras. Como resultado, la minería verdaderamente continua en minas de roca dura aún no se ha logrado por completo.
2. Tecnología de transporte y elevación
Los sistemas de transporte y elevación ocupan una posición crucial en la producción minera subterránea. Conectan todos los eslabones de la producción en un sistema integrado y garantizan la estabilidad de la operación minera. El transporte de mineral en los frentes de explotación ha evolucionado desde la manipulación manual hasta el transporte ferroviario y, posteriormente, al transporte sin rieles, pasando de un modelo predominantemente ferroviario con apoyo de transporte sin rieles a un modelo predominantemente sin rieles con apoyo ferroviario. El uso de equipos móviles sin rieles en minas subterráneas comenzó en la década de 1960. Gracias a las continuas mejoras en estos equipos, la minería sin rieles se ha desarrollado rápidamente, impulsando la transformación de los procesos en la minería subterránea y convirtiéndose en la tendencia de desarrollo actual.
Para el transporte de corta distancia en tajos, se suelen utilizar máquinas de carga, transporte y descarga debido a su facilidad de operación, fiabilidad, eficiencia y maniobrabilidad. Para el transporte subterráneo de larga distancia, los camiones subterráneos se utilizan ampliamente a nivel internacional, aunque todavía son menos comunes a nivel nacional. A medida que aumenta la profundidad de la mina, las distancias de izamiento siguen creciendo y la tecnología de izamiento se enfrenta a desafíos cada vez mayores, junto con el aumento de los costos de izamiento de materiales. Por lo tanto, el desarrollo de tecnología de izamiento de mineral en pozos profundos es especialmente importante. La tendencia general futura apunta hacia una mayor escala, cargas más pesadas y una mayor automatización.
Tras un largo proceso de desarrollo, la mayoría de las minas profundas utilizan ahora sistemas de elevación de pozos en varias etapas, asistidos por transporte ferroviario, cintas transportadoras o equipos sin rieles. En la mina de oro TauTona, en Sudáfrica, por ejemplo, se emplea un sistema de elevación de pozos en tres etapas, con transferencia entre pozos mediante cintas transportadoras o equipos sin rieles. Los sistemas tradicionales de cintas transportadoras abiertas son de estructura sencilla, pero propensos a la emisión de polvo y al derrame de material, lo que contamina los entornos subterráneos; además, presentan una capacidad de ascenso limitada y menor seguridad. Para solucionar esto, SiCON ha desarrollado sistemas de cintas transportadoras cerradas que evitan el derrame y la generación de polvo. Las velocidades de transporte pueden superar los 3 m/s y la inclinación de la cinta puede alcanzar los 36 grados. Con una mayor optimización, este sistema resulta prometedor para el transporte y la elevación de mineral en minas profundas.
Actualmente, el izamiento hidráulico se utiliza principalmente en la minería submarina. En los últimos años, algunos investigadores han intentado aplicarlo a minas subterráneas profundas. Este proceso puede funcionar de forma continua y es más compatible con el izamiento automatizado e inteligente. Sin embargo, requiere sistemas de trituración y molienda subterráneos en pozos profundos, lo que dificulta su implementación práctica en esta etapa. Paralelamente, han surgido conceptos innovadores como el izamiento mediante ascensores de levitación magnética, pero aún requieren una investigación exhaustiva y detallada. Estas nuevas tecnologías, métodos y procesos están impulsando el transporte y el izamiento en minas y fomentando la innovación en este campo.
3. Tecnología de refuerzo de macizos rocosos
En las minas de metales, el refuerzo de roca se aplica principalmente a macizos rocosos débiles, fracturados y sometidos a altas tensiones. Las tecnologías de refuerzo se dividen en soporte pasivo y soporte activo. El soporte pasivo no modifica la estructura interna de la roca y solo resiste pasivamente la deformación de la roca circundante; ejemplos de ello son el soporte tradicional de madera, el revestimiento de mampostería y el soporte de arco de acero. El soporte activo modifica la estructura interna de la roca y mejora de forma proactiva la resistencia del macizo rocoso; ejemplos de ello son los pernos de roca y los pernos de cable, la inyección de pernos, el soporte de hormigón proyectado con pernos y el soporte de malla con pernos y hormigón proyectado. Entre estos, la inyección de pernos, el hormigón proyectado con pernos y el hormigón proyectado con malla son métodos de soporte compuestos, y el soporte de hormigón proyectado con pernos se ha convertido en una tecnología de refuerzo fundamental en las minas de metales.
La combinación de pernos de longitud completa con pernos adheridos en un sistema de anclaje adherido de longitud completa ha mejorado notablemente la resistencia del anclaje y ofrece un gran valor práctico y potencial de aplicación. El hormigón proyectado también ha evolucionado de la proyección en seco a la proyección en húmedo, lo que mejora el entorno de trabajo y reduce el desprendimiento de roca. La integración efectiva del hormigón proyectado y el anclaje permite controlar la deformación libre de la roca circundante dentro de un cierto rango, redistribuir las tensiones en la roca circundante y prevenir eficazmente la separación de capas y la caída de rocas.
Gracias al rápido progreso tecnológico, tanto la industria minera nacional como la internacional están incrementando el uso de equipos avanzados de atornillado y hormigón proyectado. A nivel internacional, se han desarrollado diversos jumbos de atornillado, vehículos de proyección húmeda y equipos de instalación de mallas. En China, los equipos desarrollados de forma independiente incluyen ahora jumbos de atornillado montados sobre neumáticos y orugas, máquinas de hormigón proyectado húmedo para minería y unidades de hormigón proyectado húmedo de dos brazos. Estos sistemas mejoran la eficiencia, reducen la intensidad de la mano de obra y aumentan la seguridad operativa, al tiempo que impulsan la mecanización y la inteligencia en el refuerzo de rocas. Tras varias oleadas de innovación técnica, el refuerzo de rocas ha evolucionado desde el tradicional soporte pasivo simple hasta el nuevo soporte compuesto activo, y el desarrollo futuro continuará hacia una mayor mecanización e inteligencia para mejorar aún más la seguridad y la productividad.
4. Tecnología de relleno con pasta
La minería de metales puede causar graves problemas ambientales, como la contaminación por residuos sólidos, la contaminación del agua y del aire, y la ocupación del suelo. Gracias a los avances en la tecnología y los equipos de relleno minero, el relleno con pasta ha proporcionado un nuevo enfoque para abordar tanto los desafíos tradicionales de la minería como sus impactos ambientales. En este método, los residuos sólidos de la mina, como los relaves, se preparan hasta obtener una pasta estructural saturada, no exudativa y con una consistencia similar a la pasta de dientes, que se utiliza para el relleno. Esto permite abordar simultáneamente dos riesgos importantes: las instalaciones de almacenamiento de relaves y los huecos subterráneos, lo que contribuye al desarrollo sostenible de la mina.
En comparación con el relleno hidráulico de arena convencional, el relleno de pasta presenta tres características distintivas: ausencia de segregación, separación por sedimentación y deshidratación. China ha establecido la primera plataforma de pruebas de relleno de pasta a escala industrial del mundo, que abarca aproximadamente 2000 metros cuadrados con más de 200 equipos. Se caracteriza por su alta precisión industrial, cobertura funcional completa y operación inteligente. La plataforma permite probar el proceso completo de relleno de pasta, detectar parámetros clave y orientar el diseño del sistema y la práctica de ingeniería. En particular, su sistema de prueba de tuberías en bucle, con múltiples diámetros, direcciones y caudales, produce resultados más cercanos a las condiciones reales que los métodos tradicionales.
La base teórica común a todas las etapas del proceso de relleno con pasta es la reología de la pasta de minería metálica. Centrada en las ecuaciones constitutivas para la reología de la pasta, la investigación combina cálculos teóricos, ensayos reológicos y simulación numérica para satisfacer las exigencias de ingeniería en cuatro etapas del proceso: espesamiento de relaves, mezcla de pasta, transporte de pasta y endurecimiento del relleno. La tecnología de espesamiento busca obtener una concentración de flujo inferior estable y adecuada, sentando las bases para una preparación de pasta de calidad. La tecnología de mezcla garantiza una mezcla uniforme del material, lo que favorece la fluidez en el transporte por tuberías y propiedades mecánicas homogeneizadas. La tecnología de transporte busca un bajo consumo de energía y una reducción del desgaste. La tecnología de relleno busca una distribución uniforme de la resistencia en el cuerpo de relleno y una tasa de contacto con el techo suficiente. Estas cuatro etapas del proceso corresponden a las cuatro tecnologías centrales del relleno con pasta.
El relleno con pasta incorpora los principios de seguridad, economía, protección ambiental y eficiencia. Constituye un pilar técnico fundamental de los sistemas de minería sostenible para minas de metales, ha sido catalogado como tecnología de demostración por las autoridades nacionales competentes en China y sigue siendo un tema de investigación prioritario a nivel mundial en el sector minero.
5. Tecnología de control remoto
Con el avance de la tecnología, la minería ha evolucionado desde la operación manual a la mecanizada, y posteriormente a la automatizada e inteligente. Tanto en los sistemas automatizados como en los inteligentes, el control remoto es una tecnología fundamental. Por lo tanto, desempeñará un papel insustituible en la minería moderna y constituye un medio técnico clave para el desarrollo minero futuro.
A nivel internacional, el control remoto es una tecnología relativamente madura y una clara vía para el desarrollo de la minería subterránea. Entre sus aplicaciones típicas se incluyen la perforación, la carga y la extracción de mineral a distancia. Sin embargo, esta tecnología suele adoptarse cuando la base industrial de un país ha alcanzado un alto nivel de desarrollo, y aún no se ha implementado de forma generalizada en China.
Los elementos clave de la tecnología de control remoto se centran en tres áreas: percepción remota del entorno minero, operación remota de los procesos mineros y supervisión y control remotos de los sistemas mineros. En conjunto, estas capacidades permiten la detección y el análisis automáticos, la operación no tripulada, el despacho remoto, la alerta temprana automática y la toma de decisiones a distancia.
