Presentación Mine to Mill. Cátedra ANEFA Universidad Politécnica de Madrid.
El concepto “Mine to Mill” (Operación integrada de Mina a Planta) en la explotación de áridos. Cátedra ANEFA. 26 de noviembre de 2007
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ÍNDICE 1. RESUMEN
1
2. INTRODUCCIÓN INTRODUCCIÓN
1
3. BASE CIENTÍFICA DEL CONCEPTO MINE TO MILL. EJEMPLOS 2 CONOCIDOS. 3.1.
Ejemplos internacionales publicados.
3
3.2.
Ejemplos prácticos de aplicación.
5
3.2.1. Cantera Exshaw de caliza de la cementera Lafarge. Lafarge.
5
3.2.2. Investigación realizada por Kojovic et al. (1995).
5
4. EJEMPLOS EN ESPAÑA
6
5. OPTIMIZACIÓN DE VOLADURAS
7
6. CASO PRÁCTICO 1. AZNALCOLLAR – BOLIDÉN APIRSA.
9
7. CASO PRÁCTICO 2. CANTERA DE CEMENTERA EN BARCELONA.
12
8. REFLEXIONES FINALES.
13
ANEXO I:
DATOS DESGLOSADOS CASO CEMENTERA.
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1. RESUMEN El presente texto pretende reflejar la base científica, el conocimiento actual existente y las aplicaciones conocidas internacionalmente de los programas Mine to Mill (o integración Mina y Planta), así como las experiencias similares realizadas en España. El concepto Mine to Mill implica concebir las operaciones de perforación y voladura como parte integral de una cadena de operaciones en la que las primeras tienen una gran incidencia en los costes totales de extracción y tratamiento. Esto significa dejar de tratar el arranque mediante explosivos como una fase desligada del resto de operaciones, comprendiendo que una mayor fragmentación en la etapa de voladura conlleva una disminución global de los costes totales que compensan sobradamente el aumento del coste de explosivos. Esto se aplica en la inmensa mayoría de las operaciones de excavación de roca (minería, obra pública, y canteras). El fundamento de base es simple: la disminución del total de los costes compensa sobradamente los incrementos parciales. Esto es así porque los aumentos de rendimientos en la maquinaria de carga y transporte, la disminución de mantenimiento de todos los equipos en general, la menor necesidad de fragmentación secundaria, los aumentos de producción y la disminución de consumos de energía en planta compensan los costes de mayor fragmentación en la etapa de voladura. A continuación se reflejan someramente los fundamentos científicos que soportan este concepto así como sus implicaciones prácticas en experiencias realizadas en el extranjero por instituciones académicas y estudios relacionados con el tema, así como dos casos realizados en España: Corta Los Frailes (Boliden Apirsa), en Sevilla y una cantera de una importante cementera en Barcelona.
2. INTRODUCCIÓN La energía que se emplea en explotaciones mineras y obra civil para el arranque, fragmentación y, en su caso, beneficio de rocas y minerales proviene de diferentes orígenes: mecánico, químico, térmico, etc. Los explosivos son la energía más barata para ello en la inmensa mayoría de los casos. No es precisamente su nivel energético, sino su potencia (energía/tiempo) lo que le proporciona las cualidades más aptas para la fragmentación de roca. En las operaciones mineras y de obra pública se combinan una serie de medios para aportar a las rocas energía suficiente para su arranque, fragmentación y conminución: explosivos, martillos hidráulicos, machacadoras primarias, secundarias, terciarias; molinos de barras, de bolas, autógenos, semiautógenos, y otros medios. En los casos en los que el ciclo comienza mediante perforación y voladura, el resultado de ésta última sobre la roca afecta hasta en un 90 % (según estudios al respecto) a los costes totales: carga, transporte, trituración primaria, secundaria y terciaria; molienda y clasificación (según casos), así como en los flujos de producción. El concepto Mine to Mill, en contra de la tradicional separación de los costes de mina (perforación y voladura, carga y transporte) frente a los de planta (trituración, molienda y clasificación), integra ambos para obtener un mínimo del conjunto. Por obvio que esto parezca, son todavía pocas las minas y canteras del mundo en que esto se comprende y se lleva a la práctica, bien sea por unas estructuras organizativas muy diferenciadas entre excavación y tratamiento, bien por falta de herramientas para la gestión del conjunto de operaciones (para así comprender la incidencia económica de una operación en las otras).
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En este informe se describe con detalle algunos estudios prácticos conocidos por los técnicos de Maxam Corp. S.A.U. (anteriormente Unión Española de Explosivos S.A.) así como ponencias presentadas en foros especializados de ingeniería de explosivos y minería a nivel mundial.
3. BASE CIENTÍFICA CONOCIDOS.
DEL CONCEPTO
MINE
TO
MILL.
EJEMPLOS
El concepto integrado de mina a planta comprende una filosofía poco implantada en el mercado español, tanto de minería a cielo abierto o subterránea, como en otras operaciones de excavación mediante explosivo (obra pública, canteras y otras). El punto de vista tradicional, aun en grandes empresas con tradición minera es: Mina: Arrancar las toneladas marcadas por planificación a menor coste de arranque posible. Incluye: Perforación, voladura, carga, transporte y fragmentación secundaria (mediante taqueo de bolos con explosivo o martillos hidráulicos). En ocasiones, se trata de minimizar el coste de cada una de estas operaciones por separado, lo cual constituye el verdadero error que se menciona en el presente texto. Planta: Tratar las toneladas obtenidas en mina: triturar, clasificar, moler y tratamientos posteriores al mínimo coste posible y cumpliendo con los ritmos de producción marcados, normalmente con la instalación saturada. Cada uno de los departamentos trata de minimizar los costes propios, sin tener en cuenta que, en ocasiones, son intereses antagónicos para la obtención del coste mínimo total. Empresas tradicionales, pequeñas y grandes, siguen a veces la filosofía del mínimo coste por conceptos, es decir, se trata de minimizar coste de perforación y voladura, al mismo tiempo que otros costes como carga y transporte. Éstos difícilmente tienen posibilidad de ser reducidos cargando voladuras con tamaños gruesos y poco desplazadas, ya que el resultado de la voladura es determinante para su realización. Los puntos básicos en los que se fundamenta el concepto Mine to Mill son:
La energía más barata para arrancar y fragmentar la inmensa mayoría de las rocas y minerales es mediante explosivos. También proporcionan los ritmos más rápidos para ello. Una pila de roca bien fragmentada conlleva mejores operaciones de carga y transporte: menores tiempos de carga (mejor aprovechamiento del cazo de la excavadora o pala, penetración más rápida en la pila), menores costes de operación (menores esfuerzos y, por tanto, menores consumos), mejor aprovechamiento del transporte (camiones mejor llenados) y menores costes de mantenimiento en maquinaria de ambas operaciones. Un material más fragmentado en origen (mayor abundancia de tamaños pequeños) conlleva menores costes de trituración y molienda y mayores flujos horarios, como es evidente al tener que realizar menos trabajo de conminución la planta para un mismo tamaño final de producto. Los bloques medianos de material fragmentado mediante explosivos presentan una resistencia estructural interna inferior a la de bloques de igual tamaño no arrancados por voladura (teoría de las microfracturas). Las menores necesidades energéticas para trituración de material volado frente a no volado se justifican por aplicación directa de la ley mineralúrgica de Bond, la cual establece una relación
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entre la energía necesaria para romper un material y la superficie de fractura creada. Estos menores costes incluyen operación y mantenimiento. Hoy día existen herramientas para evaluar, cuantificar y diseñar voladuras de manera que se lleve a términos prácticos y económicos este concepto.
3.1. Ejemplos internacionales publicados. Las siguientes figuras tratan de ilustrar de manera gráfica y rápida los efectos prácticos estudiados de la aplicación de esta filosofía en diferentes casos de estudio por parte de renombrados investigadores. En ellos se argumenta de manera breve las conclusiones que en cada caso se derivan de estudios comparativos entre voladuras con diferentes consumos específicos respecto a condiciones de partida controlables.
Fig. 1: Trabajo realizado por Eloranta. 1999?. Estudio sobre 100 millones de toneladas cortas y consumos específicos desde 0.5 lb/t hasta 0.8 lb/t (225 g/t a 360 g/t) en minas norteamericanas. Los costes de perforación y voladura se incrementan linealmente y son fácilmente predecibles. Los costes de proceso medidos llegan hasta el nivel de 0,74 aep (anfo equivalent powder factors – consumo especifico en anfo equivalente) (333 g/t) se asumen asintóticos al nivel de 0.50 $/t (asunción no justificada). Ya que la pendiente del ramal derecho de la curva es más suave que la del ramal izquierdo, se puede deducir que la penalización económica de excederse en factor específico es mucho menor que la de quedarse corto.
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Fig. 2: Trabajo realizado por Eloranta (1995). Comparación de costes totales por yarda cúbica (perforación, voladura, carga, transporte, trituración y fragmentación secundaria) frente a grado de fragmentación y velocidad de carga por excavadora en minería de hierro en Minessota. Datos históricos de 5 años. Coste de molienda no incluidos, aunque es de suponer que el grado de fragmentación influye significativamente en los mismos y éstos sobre los totales . En la gráfica se señala la diferente fragmentación de las voladuras disparadas en invierno.
Fig. 3 (izqda): Trabajo realizado por Kanchibotla (1998) Disminución de costes en consumo eléctrico de proceso frente a aumento de consumo específico de explosivo. La teoría de las microfracturas justifica los casos de menores costes para una misma distribución de tamaños de un mismo material pero volados con mayor consumo específico. Al ser volado, el material queda estructuralmente debilitado, por lo que requiere menos energía para ser triturado o molido (menor Wi - work index de Bond). Figura 4 (dcha): Descenso del indice wi (indice de Bond o work index) en función del consumo específico de explosivo (powder factor). Es decir, un mismo material presenta menos resistencia a ser fragmentado según su resistencia estructural se vea afectada por la voladura. Fuente: ISEE/Pit & Quarry (tras Nielsen y Kristiansen). Página 4 de 24
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3.2. Ejemplos prácticos de aplicación. A continuación se exponen un par de ejemplos concretos estudiados publicados en los que se incrementó el consumo específico de explosivo para reducir costes de inversión y de operación que compensaban ampliamente el sobrecoste de voladura. 3.2.1. Cantera Exshaw de caliza de la cementera Lafarge. El trabajo original corresponde a Elliot et al. (1999) y Ethier et al. (1999). Presentan los trabajos realizados en la cantera de caliza de Exshaw de la cementera Lafarge (Bow Valley, Canadá). En esta cantera se quiso reducir el tamaño de X90 = 0,63 m a X90 = 0,2 m (X90 es el tamaño de malla cuadrada por el que pasa el 90 % del material) con objeto de adquirir para producción una machacadora primaria menor que la existente tipo giratoria. Para la obtención de esos tamaños se incidió en el consumo específico de explosivo que era, inicialmente, de 0,47 kg/m 3. Se realizaron 4 voladuras de prueba en las que se variaron tanto los diámetros de perforación como la malla, el tipo de boca de perforación y se introdujo carga de fondo para un mejor desplazamiento del pie del banco. Los resultados fueron un consumo específico resultante de 0,7 kg/m 3 (partiendo del mencionado 0,47 kg/m3) a partir del cual se consiguió:
Paso del material casi directo por la trituradora primaria con una apertura de 150 mm. Incremento del flujo de material por la trituradora secundaria en un 16 % (de 995 ton/h a 1150 ton/h).
La energía consumida en el sistema de trituración decreció un 30%. 3.2.2. Investigación realizada por Kojovic et al. (1995). Esta investigación estaba dirigida a examinar la influencia de dos diseños de voladura diferentes en: 1) La fragmentación de la pila de voladura y 2) la planta que produce el árido. La planta de estudio realiza un puenteo en la trituradora primaria de los finos menores de 75 mm a 50 mm. El flujo combinado del producto triturado en la primaria junto a este material es alimentado a la trituradora secundaria. La voladura de referencia estaba caracterizada por un consumo específico igual a 0,52 kg/m 3 y la voladura de prueba lo incrementaba hasta un valor de 0,61 kg/m 3. Incrementar la carga específica supuso:
Un descenso de la fracción de tamaños superiores a 200 mm en un 6 % (de 53 % a 47 %) Un incremento de la fracción de tamaños inferiores a 19 mm en un 4 % (de 10% a 14%)
Los efectos cuantificables en la voladura con mayor carga específica fueron:
Un descenso en los costes de carga y transporte del material volado en un 25 %.
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Un descenso en un 4% del material a triturar tras la voladura. El ahorro asociado se cuantificó en términos similares. Juntos, estos ahorros superaron los incrementos de coste en perforación y voladura en un factor de 14:1, lo cual supone un ahorro potencial de 200,000 dólares australianos (110,117.31 Euros a Enero de 2003) en una cantera de 300,000 toneladas cortas anuales. La calidad del producto final no se vio afectada por las diferencias entre una voladura u otra.
El corolario que se desprende analizando este estudio es que las acciones más beneficiosas económicamente para una explotación minera son las que reducen el tanto por ciento de sobretamaños o el de tamaños mayores. En resumen: Realizando estudios Mine to Mill, no sólo se pueden incrementar las capacidades de producción, es decir, los ritmos en toneladas/hora a los que funcionan tanto las trituradoras como las palas cargadoras, sino también reducir los esfuerzos mecánicos a los que está sometida la maquinaria. Esto se traduce en un descenso de los costes, tanto de operación como de mantenimiento. El transporte, sea por pala o camión, al contar con un material de tamaño más homogéneo, se abarata al estar mejor aprovechadas las capacidades del cazo de las palas o la caja de los camiones. El concepto Mine-to-Mill aplica unas mejores voladuras, con más carga de energía como norma general, para conseguir una disminución en costes totales y/o aumentar el ritmo de producción. Está ligado a un conocimiento especializado de las voladuras, la geología y la maquinaria de cada explotación y a unas herramientas específicas de control y predicción de la fragmentación.
4. EJEMPLOS EN ESPAÑA Son muchos los ejemplos que se pueden citar a nivel internacional que corroboran la lógica del concepto Mine to Mill, en los que se basan las figuras y los casos anteriores. En España, se pueden presentar dos ejemplos conocidos en detalle por el Departamento Técnico de MAXAM: La mina de Bolidén-Apirsa en Aznalcóllar y la cantera de caliza margosa para una cementera, en Barcelona. Ambos ejemplos presentan sus peculiaridades. La mina de Bolidén, en Aznalcóllar, estudió los rendimientos de carga de la excavadora de estéril P&H 4100. Esta máquina, de un coste aproximado a 10 Millones de Euros (1600 millones de pesetas), con 45 m 3 de cazo (la mayor utilizada en España) tenía una capacidad mínima de carga esperada de 4300 t/h para cumplir con las estimaciones de planificación, frente a una realidad de carga que resultaba inferior. Este primer caso (Bolidén-Aprisa), ilustra el ahorro que se deriva del incremento de consumo específico sin las siguientes fases de optimización (secuenciación, perfilometría láser, análisis estructural de la geología) sólo en un tramo de operación en mina (sin incluir planta). El segundo ejemplo (cantera de una cementera en Barcelona), indica que la tecnología, el control y la gestión de costes y la capacitación de los técnicos a cargo conllevan un valor económico por la optimización de los medios. El caso de esta cementera es particularmente ilustrativo al ser una gran compañía en la que, sin embargo, el explosivo era mal empleado (el valor añadido del material de cantera resulta en esta empresa insignificante con el de la producción
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de cemento). Un trabajo exhaustivo condujo a menores costes totales, incluyendo un menor consumo de explosivo. La parte más sustancial de las mejoras introducidas en la explotación de caliza margosa en la cantera de Barcelona en los dos últimos años, integra una perspectiva más amplia. Implica las etapas de voladura y los posteriores de carga, transporte y trituración (en estudios más complejos de minas Australianas, Canadienses, Sudafricanas y Norteamericanas se estudian también trituración y clasificación secundaria). Mediante la tecnología aportada por MAXAM Plus Euroservice, la asistencia del técnico comercial de MAXAM en la zona, Jorge López, y la labor del ingeniero de explotación, las voladuras en la cantera fueron monitorizadas y mejoradas en un proceso continuo. De una manera rápida y eficiente, los barrenos y la carga de cada uno de éstos eran adaptados de manera específica a la forma del frente a disparar. Los resultados fueron unas pilas de voladura con una fragmentación excelente, que han provocado efectos en cascada en las operaciones mineras posteriores: tanto los programas de mantenimiento de las palas cargadoras como los de las trituradoras móviles de la cantera han tenido que ser revisados al decrecer significativamente el número de averías y elementos desgastados. Igualmente, tanto los consumos de combustible (palas cargadoras) como de corriente eléctrica (para las trituradoras) han disminuido sensiblemente respecto a periodos anteriores. Concepto Perforación Voladura Palas cargadoras Machacadora y transporte Mantenimiento machacadora
Antes 2000
Tras 2000
269.920 € 458.640 € 1.273.590 € 148.320 € 141.510 €
236.180 € 263.190 € 908.526 € 126.450 € 107.125 €
Diferencia (ahorros) 33.740 € 195.450 € 365.064 € 21.870 € 34.385 €
13% 43% 29% 15% 24%
Tabla 1: Resumen de ahorro de costes por millón de metros cúbicos Es decir, el conjunto de operaciones de arranque, carga, transporte y trituración se ha visto beneficiado mediante el estudio integrado de todas ellas, al contrario de lo que es la tónica habitual en las explotaciones españolas, en las que se diferencia y separa el coste de mina (o cantera) con el coste de planta. Estos estudios integrados se basan en dos principios: uno, el incremento de consumo específico de explosivo como herramienta trituradora más barata. Dos, el soporte técnico y el conocimiento para elaborar e implementar los programas y cuantificar los beneficios económicos, incluyendo en esta gestión los ajustes necesarios hasta aproximarnos con precisión aceptable al óptimo del conjunto.
5. OPTIMIZACIÓN DE VOLADURAS Una vez que estamos convencidos de que la voladura es el punto de partida fundamental del cual dependen en gran medida nuestros costes operativos, y fijamos nuestra atención en el consumo eléctrico de la planta, la producción horaria, los costes de carga y transporte y los costes de mantenimiento de maquinaria (carga, transporte y planta), nos preguntamos ¿cómo se optimizan las voladuras de una explotación en particular?. MAXAM Plus Euroservice viene desarrollando tecnología y conocimientos aplicados a las voladuras mediante la última tecnología de monitorización y análisis así como su integración en el resto de operaciones hasta el producto final. Por resumir este proceso, consiste fundamentalmente en la realización de labores de campo de duración variable (desde semanas
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a meses) en las que, de manera intermitente, se analiza el comportamiento del terreno y del explosivo, las variables a las que la roca es más sensible y los costes asociados. El proceso de análisis de voladuras contempla:
Conocer la trayectoria real de los barrenos y las prácticas de perforación. Estudiar mediante perfilometría láser el banco real a volar (conociendo cada perfil de cada barreno con precisión de milímetros) y replantear la voladura adaptándola a cada uno de los barrenos. Analizar mediante cámaras de alta velocidad el funcionamiento de la voladura según los parámetros de diseño que se quieren estudiar, pudiendo conocer cada evento que se produce cada milésima de segundo (cortes por movimiento del terreno, cooperación adecuada entre barrenos, etc). Analizar el macizo rocoso: resistencia de la roca a compresión simple y análisis geomecánicos (orientación de juntas, buzamiento). Realizar campañas de trabajo en campo de duración adecuada para que los análisis realizados sean significativos y contemplen la variabilidad de cada cantera. Monitorización de la velocidad de detonación (VOD) del explosivo en barreno, para evaluar su funcionamiento. Estudiar las vibraciones producidas por estas voladuras y modo de reducirlas.
Fig. 5: Perfilometría láser 3D y control de desviación de barrenos dentro del banco. Son herramientas esenciales para la optimización de voladuras. Esta innovadora tecnología está
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disponible desde tiempos muy recientes y supone una revolución en las técnicas de control y diseño de voladuras.
Fig. 6. Fotogrametría para el cálculo de curva de fragmentación. Esta tecnología permite calcular casi instantáneamente la distribución de tamaños, tanto en la pila de voladura como en el material resultante de los pasos por trituración. Permite, además calibrar el comportamiento de la roca de nuestra operación en particular, y predecir su fragmentación en base a los parámetros de diseño de la voladura.
6. CASO PRÁCTICO 1. AZNALCOLLAR – BOLIDÉN APIRSA. La realización del proyecto “Estudio técnico económico de la relación entre los parámetros de voladura y la eficiencia de la carga en Corta “Los Frailes”” realizado en el año 2000, hizo posible la obtención de los datos que ilustran este ejemplo. Este proyecto fue realizado en colaboración con los técnicos de MAXAM.
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Fig. 7: Factor de llenado de los camiones de transporte Unit-Rig MT 4000 de 218 t nominales en función del consumo específico.
Fig. 8: Rendimiento de excavadora principal de carga de estéril (P&H 4100) en función del consumo específico.
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Tabla 2: Estimaciones de ahorro en flujo de caja según incremento de consumo de explosivo. Total ahorro en 8 años: 242 M Pesetas (1,49 M Euros)
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El último párrafo de la síntesis del proyecto dice textualmente: “Como resumen final puede decirse que el siguiente proyecto demuestra que el aumento del coste por voladura es compensado ampliamente por el aumento de los rendimientos de carga y transporte en los equipos mineros”. Esto se puede corroborar en la Tabla 2, ilustrativa de los flujos de caja calculados en base al estudio realizado. Consideraciones importantes sobre el estudio en Aznalcóllar El estudio realizado en la mina de Boliden-Apirsa se centra solamente en los costes conjuntos de perforación, voladura, carga y transporte, con lo que no constituye en sí un caso de Mine to Mill , sino un estudio integrado de las operaciones de mina. Extrapolando las implicaciones generales de que una mayor fragmentación de material tiene en cuanto a beneficio de mineral (este estudio solo fue aplicado a voladuras de estéril) se puede suponer que ahorros similares o superiores se podrían conseguir en las etapas de trituración, molienda y clasificación en la planta minera de Aznalcollar. En esta aseveración hay que considerar que los equipos de carga de mineral eran menores (P&H 2400 y Demag H 285), los camiones de transporte eran los mismos (Unit-Rig MT 4000 de 218 t) y que el coste de planta suele ser unas 6 veces el coste de mina en estos casos de minerales polimetálicos (incluyendo flotación). El VAN supuesto por los ahorros totales, proyectados desde 2000 hasta 2007 (antes de ocurrir el deterioro financiero a nivel internacional que supuso la retirada de la compañía a operar sólo en Suecia y el fin de las voladuras de Bolidén en Aznalcóllar en verano de 2001) es de aproximadamente 1.459.000 Euros (242.913.000 ESP).
7. CASO PRÁCTICO 2. CANTERA DE CEMENTERA EN BARCELONA. A continuación se detalla la labor realizada por los técnicos de MAXAM en conjunto con los técnicos de las explotaciones en una de las experiencias más profundas realizadas en España respecto a la tecnificación y/o el estudio de voladuras y sus efectos en los costes totales (extracción y tratamiento). En este sentido se ha realizado un estudio por conceptos que se estudian en la gestión de operaciones mineras en otros países del mundo. Los resultados han ofrecido, de manera cuantificable, interesantes conclusiones para la cantera que una compañía cementera explota en Barcelona. Esta experiencia ha sido posible gracias a la conjunción de tres factores: el afán de superación e innovación por parte del personal técnico de la explotación, el apoyo continuado para mediciones en cantera del técnico comercial de MAXAM y el soporte tecnológico y de conocimiento proporcionado por MAXAM Plus Euroservice, cuya investigación en otras experiencias análogas en otros países soporta los resultados y perspectivas futuras que se exponen a continuación. El reflejo más claro de esta realidad, aún por implementar de manera generalizada en el mercado español, viene de la mano de los resultados económicos. La gestión de costes resalta claramente cuando se comparan producciones iguales en periodos de tiempo antes y después de la integración de la voladura en el total de operaciones. También son elocuentes los costes unitarios (Euros/t ó Euros/m 3) entre periodos. En la cementera, el personal de operación reconoce sin ambages que la manera de trabajar con las palas cargadoras ha cambiado sustancialmente desde que se implementaron los cambios en las voladuras. Físicamente, la rotura de dientes de pala, de fundas de dientes y de otros elementos de mantenimiento periódico, ha descendido hasta niveles anecdóticos. Las palas Caterpillar 992, que son mantenidas por personal de Finanzauto tienen que ser revisadas
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a intervalos superiores a los tradicionales en lo que respecta a ciertos elementos de desgaste y mantenimiento periódico. El material volado es muy distinto al de hace unos pocos años, de manera que queda muy homogéneo, suelto y fácil de cargar por palas sobre ruedas. Igualmente, las dos trituradoras de martillos Krupp de alimentación eléctrica que nutren de material al sistema de cintas transportadoras a planta, han visto alargada la vida de sus motores eléctricos (antes, los bobinados se reemplazaban cada 5000 h de funcionamiento) al experimentar un menor número de picos de alta intensidad gracias a la disminución de sobretamaños. Hay que señalar que un material arrancado con explosivo presenta, según la teoría de las microfracturas, una debilidad estructural menor que un mismo material y de igual tamaño excavado mecánicamente. Es decir, la utilización de explosivo para arranque no solo fragmenta sino que debilita internamente la roca volada. Consideraciones importantes sobre la cantera de la cementera catalana. Se deben establecer ciertas consideraciones importantes en este caso: 1) Este estudio considera el coste de trituración primaria y transporte a planta cementera, pero no la molienda posterior que allí se realiza. Es lógico presumir que el ahorro en costes totales es superior si se consideran los menores consumos energéticos y menor mantenimiento que supone esta mejora de las voladuras en estas etapas de planta no cuantificadas económicamente. 2) El anterior encargado de explotación empleaba técnicas muy poco eficientes en cuanto
al uso adecuado de los explosivos (doble cordón detonante “por si uno fallaba”, destrucción sistemática de explosivo sobrante mal calculado, excesiva carga de fondo). Por este motivo, no se puede aplicar estrictamente el concepto básico de subida de consumo específico de explosivo en este caso particular. La capacitación técnica puede aquí valorarse económicamente, en cuanto a un mejor aprovechamiento de explosivo y de la tecnología y conocimiento disponibles. Ahorro en costes totales anuales para 1 millón de metros cúbicos: 650.509 €/año (108.235.000 Pesetas/año). El detalle desglosado para cada capítulo de gasto puede consultarse en el ANEXO I.
8. REFLEXIONES FINALES. La optimización de operaciones de excavación y tratamiento de rocas y minerales comprende aprovechar al máximo la primera etapa de voladura para que una gran parte de la fragmentación necesaria la realice el explosivo minimizando así los costes de carga, transporte, fragmentación secundaria y tratamiento. Los programas Mine-to-Mill consideran las condiciones de contorno de cada explotación (tipo de roca, producto final, maquinaria de carga y transporte y planta de tratamiento) para reducir el total de costes a partir de voladuras más eficientes. Este es un campo de investigación aplicada que está en auge a nivel mundial. A las nuevas tecnologías de medición y control, como son los láseres 2D y 3D motorizados, las sondas de desviación de barrenos, las cámaras de alta velocidad y los programas informáticos para análisis de fragmentación y simulación de voladuras se les añaden las nuevas generaciones de detonadores electrónicos, con un campo prometedor para la disminución de vibraciones y mejor eficiencia de las voladuras, así como nuevos equipos especializados de medición y
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simulación junto con personal altamente cualificado. Todo esto se traduce en soluciones a medida para cada explotación concreta. En cuanto a la posible implementación de esta filosofía Mine to Mill en España, hay que considerar la situación de partida. La gestión de muchas explotaciones, se caracteriza por:
Separación de los conceptos de coste de extracción y coste de tratamiento, con el objetivo de minimizar ambos. Reticencia a aceptar que un mayor coste en explosivo revierte en mayor beneficio. No existe, por lo general, un control de coste y gestión que demuestre estas afirmaciones, ni visión de conjunto o espíritu innovador para realizar estudios que analicen los efectos de las voladuras en los costes subsiguientes de la cadena de producción. Tendencia a seguir una rutina de trabajo, y reticencia ante pruebas o experimentos. En el pasado, la falta de herramientas fiables, objetivas y rápidas han contribuido a considerar las pruebas como algo poco operativo de cara a los problemas concretos de cada explotación. Dificultad para demostrar mejoras técnicas y/o económicas, bien porque su cuantificación no es posible o trivial en algunos apartados, bien porque no existen los datos desglosados en la propia explotación para el control de gestión.
Las políticas de reducción de costes no se desarrollan habitualmente en épocas de expansión económica, centradas en maximizar producción, sino en épocas de desaceleración o disminución de beneficios o facturación. Se pierde así la ocasión de aprovechar ciclos favorables para conseguir mejoras económicas (costes más bajos y más producción), disminuir costes de cara a ciclos negativos y la dinámica de mejora continua que mejora las perspectivas de toda explotación a largo plazo. Es de esperar que en ciclos desfavorables de la economía, el mercado sea más proclive a adoptar e implementar métodos de reducción de costes o de aumento de beneficios.
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Bibliografía: Morell, S. “Mine-to-Mill” Documento técnico JKTech (JKMRC Commercial Division), Brisbane Australia Eloranta, J. 1999? “Blasting – Downstream Processes” Documento técnico. Eloranta and Associates Inc. Eloranta, J. 1999? “The Efficiency of Blasting Versus Crushing and Grinding” Documento Técnico. Eloranta and Associates Inc. Franklin, J.A., Katsabanis, T. 1996 “Measurement of Blast Fragmentation. Proceedings of the Fragblast-5 workshop of blast fragmentation”, Montreal, Quebec, Canada 23-24 August 1996.
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ANEXO I DATOS DESGLOSADOS CASO CEMENTERA
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OPTIMIZACIÓN ECONÓMICA EN EL CICLO DE PRODUCCIÓN DE CEMENTO DERIVADA DE LAS MEJORAS INTRODUCIDAS EN EL ARRANQUE POR VOLADURA EN CEMENTERA S.A.
1. ESTADO PREVIO AÑO 2000. 1.1.
VOLADURAS AGARRADAS 1.1.1. Averías en palas cargadoras durante las operaciones de llenado del cazo por tener que arrancar el material volado que carece de suficiente esponjamiento.
Sobreesfuerzos en los útiles de carga (dientes, portadientes, cucharones, pistones hidráulicos). Sobrecargas en el motor, transmisión y mandos finales.
1.1.2. Caída del rendimiento en la alimentación directa de las cargadoras a machacadora, por incremento del ciclo de trabajo debido a mayor tiempo de carga del cazo de material volado sin esponjamiento. 1.1.3. Menor calidad del trabajo del operador de pala por dificultades de carga de la pila. 1.2.
VOLADURAS CON UN ALTO PORCENTAJE DE BOLOS 1.2.1. Sobrecargas puntuales pero constantes en los motores de accionamiento del molino por impacto con granulometrías próximas a la admisión. 1.2.2. Atranques en la cámara de admisión por acuñamiento 1.2.3. Coste de reducción de bolos con martillo picador 1.2.4. Caída de rendimiento de las cargadoras por la necesidad de seleccionar los tamaños próximos a la admisión del molino
1.3.
FRENTES IRREGULARES Y DESLIZAMIENTOS
1.3.1. Daños en la instalación de molienda y transporte por proyecciones 1.3.2. Dificultades en el replanteo de la voladura 1.3.3. Sobrecostes de explotación 1.4.
ROTURA DEL MACIZO RESIDUAL 1.4.1. Ubicación insegura de la perforadora
1.4.2. Dificultades en el replanteo de la voladura
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2. ACTUACIÓN 2.1.
ALINEACIÓN DE FRENTES
La disposición de los frentes según lados rectos de una poligonal alrededor de las machacadoras permite trasladar la geometría en el replanteo de cada voladura referenciándola a la anterior. Esto asegura el mantenimiento de la piedra en los valores deseados (equilibrio entre vibraciones y proyecciones), aplicando un método práctico y nada laborioso. 2.2.
REVISIÓN DE LOS PARÁMETROS DE LA PERFORACIÓN 2.2.1. Ajuste del diámetro de perforación El sistema de perforación en la explotación es a rotación con trépano. El sistema de afilado de estos útiles provocaba una pérdida progresiva de diámetro del barreno que iba desde los 115mm originales hasta los 102 mm. Este hecho, unido al de que no existía un control de bocas significaba que en el momento de efectuar el cálculo de explosivo era imposible determinar la cabida por metro lineal. Esto daba lugar a dos circunstancias: una, la necesidad de realizar el pedido considerando un consumo correspondiente al diámetro superior, a fin de que no faltara explosivo, suponiendo esto la necesidad, en muchos casos, de destruir explosivo, con el correspondiente coste y riesgo. La segunda de las implicaciones del desconocimiento del diámetro a que la voladura estaba perforada suponía que manteniendo la cuadrícula, se acusaban déficit de energía en la pila de material volado. Un cambio en el sistema de afilado y por tanto un diámetro uniforme, adaptado a la cuadrícula, supuso consumos específicos de explosivo ajustados a las necesidades. 2.2.2. Cambio del esquema de perforación y malla Pasamos de una malla cuadrada 4,5m x 4,5m, a una nueva disposición a tresbolillo de 6m x 4,25m. La malla a tresbolillo ha permitido una distribución más homogénea del explosivo al tiempo que un mayor rendimiento del explosivo. 2.2.3. Ángulo de perforación Aumentamos el ángulo de perforación para favorecer la estabilidad de bloques formados por la intersección de familias de fracturas. Al mismo tiempo buscamos lograr un mayor desplazamiento del material volado con el fin de aumentar el rendimiento de las palas cargadoras. 2.2.4. Sobreperforación Dadas las características de estratificación y fisuración del material de la cantera optamos por llevar un control exhaustivo de la sobreperforación, reduciendo ésta hasta los 0,5 metros. 2.2.5. Estudio del rendimiento de la perforación
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El equipo técnico de la cantera conjuntamente con el personal de UEE analizó los parámetros y rendimientos de la perforación observando bajos rendimientos por relevo. Se consideró la posibilidad de realizar cambio a perforación con martillo de fondo para lo cual se hizo consulta al fabricante TAMROCK sobre la capacidad de las máquinas actuales de trabajar con este martillo. Visto que las modificaciones son extremadamente costosas se está estudiando la posibilidad de sustituir una de las máquinas actuales por otra del citado sistema. 2.3.
REPLANTEO EXHAUSTIVO DE LA VOLADURA. La base para lograr mantener bajos niveles de vibración y una óptima fragmentación fue el mantenimiento de los parámetros geométricos de la voladura en valores adaptados a las condiciones particulares de cada caso. Para esto fueron fundamentales las técnicas de topografía, desvío de barrenos (Boretrak), uso del perfilómetro láser 2D, alineación de barrenos, etc. Esto básicamente supuso una mejora en los siguientes términos:
2.4.
Importante disminución de vibraciones. Evitar las proyecciones esporádicas sobre la instalación de machaqueo y transporte con la posibilidad de aproximar la instalación a los frentes. Optimización del explosivo. Obtención de granulometrías adecuadas.
COMPROBACIÓN DEL DESVIO DE BARRENOS. Uso de sonda de desviación de barrenos Boretrak, la cual mide metro a metro, la inclinación de la pared del barreno, dibujando la trayectoria real y permitiendo conocer la desviación de la perforación. Esto contribuye a conocer si las técnicas de perforación son adecuadas, si la energía se distribuye homogéneamente en el banco a volar y si existe peligro de proyecciones por excesiva desviación hacia el frente.
2.5.
CAMBIO DEL SISTEMA DE INICIACIÓN. Tradicionalmente el explosivo se iniciaba con cordón detonante y detonador eléctrico. Con el empleo de la iniciación en fondo con detonadores tipo PRIMADET se logran una serie de ventajas:
Mayor aprovechamiento de los gases de la voladura evitando así una pérdida prematura de los gases por el retacado. Granulometría mucho más reducida, adecuada a los tamaños necesarios para el abastecimiento a una fábrica de cemento. Mayor desplazamiento del material volado y por tanto mayor grado de esponjamiento. Reducción de la distancia de retacado con la consiguiente reducción del porcentaje de bolos en esta zona. Disminución de la onda aérea producida durante la detonación, con una importante mejora medioambiental. Disminución de la mano de obra implicada.
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2.6.
Sistema de uso fácil y seguro.
OPTIMIZACIÓN DEL CONSUMO Y TIPO DE EXPLOSIVO. El estudio geológico y geotécnico de la explotación permitió adaptar el tipo y las cantidades de explosivo para lograr un resultado óptimo.
Parámetro Altura del banco Longitud del barreno Ángulo de perforación Piedra * Espaciamento Retacado Sobreperforación Carga de fondo Carga de columna Arranque por barreno Perforación específica C.E. Carga de fondo C.E. Carga de columna C.E. Carga total
2.7.
(Ud)
Antes
Después
Diferencia
(m) (m) (º) (m) (m) (m) (Kg) (Kg) (m3) (m/m (Kg/m3) (Kg/m3) (Kg/m
20 22 15 4,5*4,5 4,5 1,3 35 130
20 21,5 20 4,25*6 3 0,3 10 153
0% -2% 33% --33% -77% -71% 18%
391 0,056
479 0,049
23% -13%
0,09 0,332 0,442
0,021 0,319 0,34
-77% -4% -23%
MECANIZACIÓN DE LA CARGA. La explotación se lleva a cabo por tongadas horizontales de 20 metros. Esto, unido al hecho de la inexistencia de transporte móvil con dúmperes, (se realiza mediante cintas transportadoras) permite mantener los accesos en buenas condiciones. De esta manera es posible mantener los tajos accesibles para cualquier tipo de vehículo y en particular los camiones-tolva de carga automática de NAGOLITA a granel. La implantación de la carga automática ha permitido un ahorro directo de mano de obra así como una liberación de carga de trabajo del personal, que ahora se implica directamente en las tareas de carga de fondo y conexión. El uso de la nagolitera permite así mismo un ahorro de tiempo de carga, se dispara más temprano y se molesta menos a los habitantes del entorno.
2.8.
CONTROLES DE LA GEOMETRIA DE LOS FRENTES. Para poder mantener la instalación de machaqueo y transporte próxima a los frentes en necesario llevar un control exhaustivo de los parámetros de la perforación y la voladura. Así mismo, cuando los frentes presentan un perfil irregular es preciso tener una información precisa del ángulo de perforación y de la carga adecuada para lograr resultados óptimos en el material volado y para mantener los bajos valores de vibraciones. En estos casos se utiliza el perfilómetro LASERACE 1000 (Láser 2D) con su software para análisis de perfiles, lo que permite el máximo equilibrio entre seguridad frente a las proyecciones y vibraciones por voladura.
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3. RESULTADOS. 3.1.
MANTENIMIENTO MECÁNICO 3.1.1. Palas: disminución en los costes de mantenimiento de las cargadoras por menor incidencia de averías por sobreesfuerzos y sobrecargas así como aumentos de los periodos de sustitución preventiva de piezas y reparaciones de transmisiones y motores. Disminución del número de horas de funcionamiento de las palas imputable a las alimentaciones por aumento general del rendimiento de la molienda. 3.1.2. Machacadores: disminución de daños por proyecciones en la instalación.
3.2.
MANTENIMIENTO ELÉCTRICO 3.2.1. Motores principales de molinos: disminución del coste de mantenimiento y aumento de su vida útil. Factura eléctrica: caída del consumo derivado de un aumento general del rendimiento de la instalación de molienda.
3.3.
PRODUCCIÓN 3.3.1.
Mayor rendimiento alimentación (menor duración del ciclo de trabajo de palas, mayor disponibilidad de máquinas, menor cansancio operador, machacadoras más cerca de los frentes). 3.3.2. Menor riesgo de ruina de la instalación por proyecciones. 3.3.3. Menores recursos implicados en las labores de carga de la voladura. 3.3.4. Disminución de la perforación específica. 3.4.
SEGURIDAD 3.4.1. Mayores niveles de calidad del trabajo de los operadores de pala. 3.4.2. Mayor seguridad en la operación de carga en una pila más extendida. 3.4.3. Mayor seguridad en las perforadoras que trabajan sobre plataformas más estables.
3.5.
MEDIOAMBIENTE. 3.5.1. Disminución de los niveles de ruido ocasionado por la voladura hasta valores inapreciables en zonas habitadas próximas. 3.5.2. Disminución de los valores de vibración hasta niveles 10 veces por debajo de los límites autorizados.
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4. VALORACIÓN ECONÓMICA. 4.1.
Arranque Frente. 4.1.1. Perforación Producción
Período
Perforación
3
anual (m ) 1.000.000 1.000.000
Hasta 2000 Tras 2000
específica (m/m 0,056 0,049
3)
Total metros lineales (m) 56.000 49.000
Coste por metro (€/m) 4,82 4,82
Coste total (€) 269.920 236.180
Diferencia
33.740
4.1.2. Voladura
Período
Hasta 2000
Tras 2000
Producción anual (m3)
Consumo específico de
1.000.000
Goma Nagolita Cordón detonante Detonadores
216.000 199.200 41.040 2.400
458.640
1.000.000
Goma Nagolita Cordón detonante Detonadores
50.400 191.400 720 20.670
263.190
Diferencia
195.450
4.1.3.
Consumo
Precio parcial (€)
Coste total Total (€) periodo (€)
Carga Frente
4.1.3.1.
Período Hasta 2000 Tras 2000
Palas cargadoras.
Producción Rendimiento Horas Precio por Coste total (€) 3 anual (m ) horario (m3/h) efectivas (h) hora (€/h) 1.000.000 1.000.000
106,0 116,7
9.434 8.571
135 106 Diferencia
1.273.590 908.526 365.064
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4.1.4. Machacadoras + transporte.
Período
Producción anual (m3)
Hasta 2000
1.000.000
Consumo específico eléctrico (kwh/m3) 3,09
Tras 2000
1.000.000
2,81
kwh 3.090.000 2.810.000
Precio por Coste total (€) kwh (€/h) 0,048 0,045
148.320
Diferencia
21.870
(no hora punta)
126.450
Mantenimiento machacadoras:
Período Hasta 2000 Tras 2000
Producción Rendimiento Horas Precio por Coste total (€) 3 3 anual (m ) horario (m /h) efectivas (h) hora (€/h) 1.000.000 1.000.000
212,00 233,40
4.717 4.285
30,000 25,000
141.510 107.125
Diferencia
34.385
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En resumen, la mejor aplicación de las voladuras tiene efectos cuantificables y de gran incidencia en las fases de carga, transporte y trituración. Este mismo sistema, aplicado iterativamente, puede conseguir ajustes mayores y de adaptación a condiciones cambiantes en la cantera.
Concepto Perforación Voladura Palas cargadoras Machacadora y transporte Mantenimiento machacadora
Antes 2000
Tras 2000
269.920 € 458.640 € 1.273.590 € 148.320 € 141.510 €
236.180 € 263.190 € 908.526 € 126.450 € 107.125 €
Diferencia (ahorros) 33.740 € 195.450 € 365.064 € 21.870 € 34.385 €
Total ahorros
650.509 €
13% 43% 29% 15% 24%
Situación anterior, posterior y Ahorros 1.400.000 € 1.200.000 € 1.000.000 €
Antes 2000
800.000 €
Tras 2000
600.000 €
Diferencia (ahorros)
400.000 € 200.000 € 0€
s a t e r r a o r o o d p d c a n s a g a a r h r c a a c y t s m a l a o r t o d n P a i e c a a m i h n a c t e n M a M
a u r d l a V o
-Conceptos genera dores de coste-
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