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La importancia del relleno hidr´aulico radica en su multifuncionalidad: no solo act´ua como soporte estructural para evitar colapsos del macizo rocoso, sino que tambi´ en cumple una funci´on ecol´ ogica al reciclar relaves generados durante el procesamiento del mineral, mitigando as´ı la necesidad de construir dep´ ositos de relaves externos.
Tipo: Monografías, Ensayos
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Docente: Ing. Manuel Seyberling Pe˜na Chavez. Curso: Dise˜no y Construcciones Mineras
Integrantes: Grupo N.º 2
Anccalle Quispe, Julio Cesar 194589
Banda Rodriguez, Waldir 204336
Hancco Paredes, Omar 204337
Paulo Su˜na, Brenton Percy 204860
Quispe Quispe, Jhon Kevin 204863
Salas Orcon, Christian Jorge 204865
El relleno hidr´aulico es una t´ecnica minera utilizada en miner´ıa subterr´anea para rellenar los espacios vac´ıos generados tras la extracci´on del mineral. Este m´etodo forma parte de los sistemas de sostenimiento activos m´as importantes, pues permite mantener la estabilidad geot´ecnica de la mina, maximizar la recuperaci´on del yacimiento y, a su vez, minimizar el impacto ambiental mediante el uso de relaves como material de relleno.
La importancia del relleno hidr´aulico radica en su multifuncionalidad: no solo act´ua como soporte estructural para evitar colapsos del macizo rocoso, sino que tambi´en cumple una funci´on ecol´ogica al reciclar relaves generados durante el procesamiento del mineral, mitigando as´ı la necesidad de construir dep´ositos de relaves externos.
le reconoce hoy como una herramienta integral en la planificaci´on t´ecnica, ambiental y econ´omica de las operaciones mineras. Los objetivos t´ecnicos del relleno hidr´aulico est´an alineados con tres pilares fundamentales: estabilidad geot´ecnica, optimizaci´on del ciclo de minado y sostenibilidad ambiental.
2.3.1. Estabilizar el macizo rocoso para evitar colapsos
El objetivo principal del relleno hidr´aulico es sostener las estructuras subterr´aneas una vez extra´ıdo el mineral. Esto se logra mediante la consolidaci´on del caser´on vac´ıo con una mezcla de arena de relave y agua (con o sin adici´on de cemento), que al fraguar forma un s´olido de resistencia controlada.
Detalles t´ecnicos:
Se evita el colapso de techos, pilares o muros.
Se reduce el riesgo de propagaci´on de fallas.
Se mejora la cohesi´on y confinamiento del macizo.
Ejemplo real: En la mina Iscaycruz (Volcan Compa˜n´ıa Minera), la implementaci´on de relleno hidr´aulico con 5 porciento de cemento increment´o la resistencia del entorno inmediato a 1.4 MPa, previniendo subsidencias en c´amaras explotadas entre 2020 y 2022 (Huam´an, 2023).
2.3.2. Permitir la recuperaci´on de pilares previamente dejados como soste- nimiento
Durante la explotaci´on minera convencional, es com´un dejar pilares de seguridad para evitar colapsos. Sin embargo, esos pilares muchas veces contienen un alto contenido de mineral. Con el uso del relleno hidr´aulico, estos pilares pueden ser recuperados.
Detalles t´ecnicos:
El relleno reemplaza el soporte estructural del pilar.
Se logra una mayor recuperaci´on del recurso mineral, a veces de hasta un 95 %.
Incrementa la rentabilidad en etapas finales del ciclo de vida de la mina.
Caso pr´actico: En Compa˜n´ıa Minera Raura, la recuperaci´on de pilares con soporte hidr´aulico permiti´o explotar 110 mil toneladas adicionales de mineral, con leyes promedio de 4.2 % Zn y 1.3 % Pb (tesis UNMSM, Rivera, 2022).
2.3.3. Mejorar la seguridad de los trabajadores en niveles inferiores
El relleno hidr´aulico protege los niveles inferiores, reduciendo la exposici´on a con- diciones de inestabilidad en el techo o en los accesos. Esto es vital en operaciones sub- terr´aneas con varios niveles activos simult´aneamente.
Detalles t´ecnicos:
Disminuye el riesgo de ca´ıda de rocas desde zonas ya explotadas.
Permite una ventilaci´on y tr´ansito m´as seguro en galer´ıas inferiores.
Reduce incidentes en zonas de sobreexcavaci´on o diluci´on no planificada.
Beneficio adicional: Mayor confianza en operaciones de perforaci´on y voladura bajo case- rones ya rellenos.
2.3.4. Reducir subsidencias en superficie
Cuando se deja vac´ıo un gran volumen de roca subterr´anea, existe el riesgo de que el techo colapse y provoque hundimientos o deformaciones del terreno superficial (subsidencia), afectando estructuras, caminos, r´ıos o zonas pobladas.
Detalles t´ecnicos:
El relleno contribuye a reducir la deformaci´on vertical del terreno.
Disminuye los movimientos s´ısmicos inducidos por minado.
Mantiene la integridad estructural de la superficie en zonas sensibles.
Ejemplo ambiental: En Mina Cerro Lindo (Nexa Resources), el relleno hidr´aulico fue clave para evitar subsidencias en la quebrada adyacente al tajo, que afectar´ıa rutas de acarreo superficial y cursos de agua.
2.3.5. Disminuir los pasivos ambientales, al reutilizar relaves
El relleno hidr´aulico permite reutilizar hasta un 60 % de los relaves generados, reduciendo significativamente los vol´umenes que deben almacenarse en dep´ositos superfi- ciales (relaveras).
Detalles t´ecnicos:
Reduce el riesgo de colapso de diques o filtraciones en relaveras.
2.4.2. Permitir la recuperaci´on de pilares dejados como sostenimiento
En minas que operan por m´etodos como room and pillar o cut and fill, suelen dejarse pilares de mineral para sostener techos. El relleno hidr´aulico permite reemplazar esos pilares con un material artificial, posibilitando su recuperaci´on posterior.
Esto se traduce en:
Mayor recuperaci´on del mineral in situ.
Rentabilizaci´on de zonas previamente no explotadas.
Reducci´on de mineral est´eril dejado en interior mina.
Caso peruano: Minera Raura (Hu´anuco) recuper´o m´as de 100,000 toneladas adi- cionales entre 2020-2023 gracias al reemplazo de pilares mediante relleno hidr´aulico ce- mentado (Rivera, 2022).
2.4.3. Mejorar la seguridad de los trabajadores en niveles inferiores
En operaciones multivel, es com´un trabajar bajo caserones ya explotados. Sin relleno, estos espacios representan un riesgo geot´ecnico por ca´ıda de rocas o colapso pro- gresivo. El relleno hidr´aulico garantiza un entorno m´as seguro:
Reduce los vac´ıos y la exposici´on a inestabilidad.
Brinda soporte a techos de galer´ıas inferiores.
Facilita la continuidad de las operaciones.
En minas como Cerro de Pasco, se observ´o una reducci´on de accidentes por ca´ıda de rocas en un 60 % tras consolidar los niveles superiores con relleno hidr´aulico.
2.4.4. Reducir subsidencias en superficie
Los vac´ıos no rellenados pueden inducir hundimientos o subsidencias en superficie, que afectan infraestructura, cuerpos de agua o incluso zonas urbanas. El relleno hidr´aulico:
Mantiene la integridad estructural del terreno.
Disminuye la deformaci´on superficial.
Permite operar en zonas cercanas a poblados o caminos sin riesgo geot´ecnico.
Caso de ´exito: En mina Tambomayo (Arequipa), el relleno evit´o subsidencias en la ladera oriental, donde se ubican accesos viales cr´ıticos.
2.4.5. Disminuir los pasivos ambientales reutilizando relaves
Uno de los principales problemas ambientales en miner´ıa son los relaves acumulados en la superficie. El relleno hidr´aulico usa estos relaves como componente principal, con lo cual:
Reduce el volumen de relaves depositados en presas.
Disminuye el riesgo de colapso de diques o filtraciones.
Mejora la imagen ambiental del proyecto.
2.4.6. Optimizar la planificaci´on minera
El relleno permite una mayor flexibilidad y agresividad en la secuencia de minado, ya que facilita explotar zonas contiguas o superiores/inferiores con mayor rapidez.
Se puede avanzar m´as r´apido en frentes cercanos.
Se liberan zonas con mayor ley de mineral.
Se evita la reprogramaci´on por inestabilidad.
Area T´^ ´ ecnica Beneficios del Relleno Hidr´aulico
Geomec´anica
Seguridad Ocupacio- nal
Ambiental
Planificaci´on Minera
Sostenibilidad Opera- tiva
Cuadro 2: Impacto T´ecnico del Relleno Hidr´aulico en Miner´ıa Subterr´anea
Tiempo de fraguado Es el tiempo que tarda el relleno en endurecer lo suficiente para permitir operaciones sobre ´el.
Fraguado inicial: 8–12 h.
Fraguado final: 24–48 h.
Este par´ametro es cr´ıtico para la planificaci´on del ciclo minero: perforaci´on–voladura– relleno.
Resistencia uniaxial (UCS) La resistencia que alcanza el relleno al endurecer es el indicador m´as importante de su funci´on estructural.
Relleno sin cemento: UCS ∼0.3–0.5 MPa.
Relleno con cemento: UCS 0.5–2.0 MPa (o m´as seg´un requerimiento).
Se realiza mediante ensayos de compresi´on uniaxial en laboratorio, tras 7, 14 y 28 d´ıas de curado.
2.6. Ventajas y Desventajas del Relleno Hidr´aulico
El relleno hidr´aulico se ha consolidado como una tecnolog´ıa clave en miner´ıa sub- terr´anea moderna, especialmente en minas polimet´alicas y de vetas angostas. A continua- ci´on se presentan sus principales ventajas y desventajas en funci´on de aspectos t´ecnicos, econ´omicos, ambientales y operativos.
Ventajas del Relleno Hidr´aulico:
Aprovechamiento de residuos mineros: El uso de relaves en la mezcla de re- lleno permite reutilizar pasivos mineros, disminuyendo la presi´on sobre dep´ositos de relaves en superficie y los riesgos asociados a su almacenamiento.
Estabilidad estructural del macizo rocoso: El relleno evita colapsos internos, permite sostener techos y paredes de caserones abandonados, y soporta la carga de niveles superiores en miner´ıa multivel.
Recuperaci´on econ´omica del mineral: Permite extraer pilares dejados como sostenimiento, maximizando la recuperaci´on de mineral in situ y mejorando el factor de recobro global del yacimiento.
Reducci´on de subsidencias superficiales: En zonas urbanas o de infraestructura sensible (v´ıas, diques, r´ıos), el relleno ayuda a mantener la estabilidad topogr´afica y evita asentamientos no deseados.
Mejora en la planificaci´on del minado: El relleno consolidado permite planificar frentes de explotaci´on contiguos sin esperar largos periodos, reduciendo los tiempos muertos y facilitando el ciclo de minado.
Reducci´on de impactos ambientales: Disminuye la huella ecol´ogica de la opera- ci´on minera al reducir el ´area ocupada por dep´ositos de relaves, minimizar el polvo en superficie, y contribuir al cierre progresivo de labores.
Desventajas del Relleno Hidr´aulico:
Elevada inversi´on inicial: Requiere una planta de preparaci´on de relleno, esta- ciones de bombeo, l´ıneas de tuber´ıas, control de presi´on y monitoreo, lo que implica costos de CAPEX elevados.
Costos operativos adicionales: El uso de cemento, aditivos qu´ımicos, manteni- miento de bombas y limpieza de l´ıneas representa un costo operativo sostenido, que debe ser cuidadosamente evaluado.
Limitaciones en climas fr´ıos o h´umedos: El tiempo de fraguado puede alargarse en condiciones extremas de temperatura o humedad, afectando el ciclo minero si no se realiza una adecuada programaci´on.
Dependencia de la granulometr´ıa del relave: No todos los relaves sirven pa- ra relleno hidr´aulico. Relaves muy finos o con alto contenido de arcillas pueden dificultar el transporte y el fraguado adecuado.
Posibilidad de segregaci´on en transporte: Si no se controla la velocidad de flujo o la inclinaci´on de las tuber´ıas, puede haber separaci´on de fases (agua-s´olidos), disminuyendo la eficiencia del relleno.
3.1. Condiciones granulom´etricas
El material s´olido del relleno hidr´aulico utilizado en la mina Manuelita se clasifica como una arena fina limosa (SM) con 65 % a 75 % de arenas entre la malla Nº10 a malla Nº200 y con un 25 % a 35 % de material fino poco cohesivo y no pl´astico. Se evita la presencia de lamas para que no dificulten la evacuaci´on del contenido de agua en la pasta.
3.2. Propiedades f´ısicas
El peso espec´ıfico de s´olidos var´ıa entre 3.04 a 3.06 debido al contenido met´alico que retiene. Su contenido de humedad inicial en el hidrocicl´on var´ıa de 8.0 % a 8.5 %, y en los tajeos retiene entre 25 % a 28 %. Presenta consistencia dura a media y una permeabilidad de 1 × 10 −^3 a 5 × 10 −^3 cm/s. Su densidad natural h´umeda var´ıa entre 1.
3.5.2. Ensayos mec´anicos
UCS (ASTM D1633): ensayo principal. Requiere probetas moldeadas y curadas en c´amara h´umeda.
M´odulo de elasticidad (ASTM C469): eval´ua el comportamiento deformacional del relleno.
Corte directo o triaxial: proporciona los par´ametros de resistencia al corte del material.
3.5.3. Ensayos hidr´aulicos
Permeabilidad (ASTM D5084): eval´ua cu´anto fluido pasa a trav´es del relleno endurecido.
Sedimentaci´on: importante para el dise˜no del circuito hidr´aulico; determina el tiempo de asentamiento de part´ıculas y el “tiempo de vida ´util” de la mezcla en tuber´ıas.
3.6. Dise˜no y dosificaci´on de mezclas
3.6.1. Factores de dise˜no
Concentraci´on de s´olidos ( %): Rango operativo t´ıpico de 65 %–75 %. Mezclas muy diluidas tienden a sedimentar; las muy espesas presentan problemas de fluidez.
Relaci´on agua/s´olidos (W/S): Afecta la fluidez, la resistencia del relleno y la facilidad de bombeo.
Relaci´on agua/cemento (W/C): Ideal entre 0.4 y 0.6. Una relaci´on menor pro- porciona mayor resistencia, pero complica el transporte del relleno.
3.6.2. Con y sin aglomerante
Con cemento (cemented hydraulic fill): Se emplea cuando se requiere soporte estructural. Se utiliza cemento Portland tipo I, II o V. La dosificaci´on var´ıa entre 3 % y 7 %, dependiendo del nivel de carga esperada.
Sin cemento (unbound hydraulic fill): Se utiliza principalmente para estabili- zaci´on geot´ecnica, reducci´on de subsidencias o con fines ambientales. Requiere una buena compactaci´on natural y control eficiente del drenaje.
3.6.3. Herramientas modernas de dise˜no
Software de simulaci´on: FLAC, Rocscience, Plaxis.
Modelos reol´ogicos: como Bingham y Herschel-Bulkley, que permiten evaluar el comportamiento del flujo.
Modelos de curado: basados en par´ametros como la temperatura, humedad y tiempo, que permiten predecir la resistencia final del relleno.
3.7. Efecto de la Relaci´on Agua/Cemento y Curado
Alta relaci´on A/C (> 0.6): Mejora la fluidez de la mezcla, pero genera rellenos d´ebiles y porosos.
Baja relaci´on A/C (< 0.4): Proporciona alta resistencia, pero reduce la traba- jabilidad y aumenta el riesgo de obstrucci´on en las l´ıneas de transporte.
Curado:
Condiciones ideales: 20 ◦C y 100 % de humedad relativa durante 7–28 d´ıas.
Curado deficiente: Puede disminuir la resistencia final del relleno hasta en un 30–40 %.
En miner´ıa subterr´anea, el curado usualmente se realiza bajo condiciones naturales. La alta humedad ayuda, pero la temperatura puede variar significativamente.
En los sistemas de transporte de relleno hidr´aulico subterr´aneo, la elecci´on del ma- terial de las tuber´ıas es cr´ıtica para garantizar la durabilidad, la eficiencia y la seguridad operativa. Las tuber´ıas de acero, por su parte, son altamente resistentes a la presi´on y a la mec´anica de elevaci´on, pero requieren revestimientos especializados (como ep´oxicos o cer´amicos) para protegerlas del arrastre abrasivo y la corrosi´on. Esto conlleva mayores cos- tos de instalaci´on y mantenimiento. En cambio, las tuber´ıas de HDPE han ganado terreno por su ligereza, f´acil instalaci´on, resistencia a la abrasi´on y excelente comportamiento ante cambios t´ermicos.
4.2. Dise˜no del sistema de bombeo: potencia y presi´on
Para dise˜nar el sistema de bombeo, se define la altura manom´etrica total (HMT) como la suma de la elevaci´on vertical, las p´erdidas de carga en tuber´ıas y accesorios, y la presi´on requerida en el punto de descarga. Luego, se calcula la potencia necesaria con la f´ormula:
Q · ρ · g · HM T η
donde:
Q es el caudal, ρ la densidad de la mezcla (1,5–1,8t/m³), g la gravedad, η la eficiencia de la bomba.
En muchos casos se utilizan bombas centr´ıfugas “slurry” con impulsor abierto y recubrimientos resistentes al desgaste. Cuando la operaci´on es profunda o geogr´aficamente compleja, se requieren estaciones intermedias de rebombeo, ubicadas estrat´egicamente para mantener la presi´on y facilitar el mantenimiento.
4.3. Prevenci´on de sedimentaci´on, abrasi´on y obstrucciones
En un sistema de transporte eficiente, se deben anticipar y mitigar tres riesgos principales:
Sedimentaci´on: si la velocidad cae por debajo de Vm´ın, se acumulan s´olidos. Se evita manteniendo pendientes negativas, velocidades adecuadas y control del caudal. Abrasi´on: surge de la fricci´on continua. Se reduce con tuber´ıas de materiales resistentes y recubrimientos internos. Obstrucciones: emergen por trazados sub´optimos, acumulaci´on de lodos o codos tor- mentosos. Se previenen mediante limpieza programada, sensores de presi´on diferencial y sistemas de purga (valvuler´ıa).
Adem´as, en las c´amaras de relleno, las barricadas porosas (brick drains) permiten el drenaje controlado del agua libre, previniendo la licuefacci´on del material y reduciendo riesgos estructurales.
4.4. Equipos de Transporte del Relleno Hidr´aulico
Para selecci´on y transporte, se emplean ciclones para recuperaci´on de fracciones gruesas. Estos ciclones son alimentados por una bomba de baja presi´on (centrifugado) y producen la fracci´on buscada con una densidad de 1,588 g/cm^3 , bombeada hacia los tajeos por una bomba de alta presi´on, usando tuber´ıa de acero de 8 pulgadas de di´ametro. A continuaci´on, se detallan los equipos utilizados para la selecci´on y transporte del relave.
N° de bombas 2 (1 en Stand By) Marca Worthington Modelo 12R- Capacidad de bombeo 4,572 GPM Densidad de Pulpa 1.257 g/cc Cabeza 85 pies Potencia de Motor 220 HP
Cuadro 3: Bomba de Alimentaci´on de Ciclones
N° de bombas 2 (1 en Stand By) Marca Worthington Modelo 12R- Capacidad de bombeo 4,572 GPM Densidad de Pulpa 1.257 g/cc Cabeza 85 pies Potencia de Motor 220 HP
Cuadro 4: Bomba de Alimentaci´on de Ciclones
4.5. Tanque con Agitador
La funci´on de este equipo consiste en diluir la pulpa del relave de los ciclones. Esta pasa f´acilmente del 70 % de s´olidos y es imposible bombearlas a largas distancias sin diluirla. Una v´alvula autom´atica permite agregar la cantidad requerida de agua a la pulpa para lograr el volumen que piden las bombas de alta presi´on.
N° de bombas 2 (1 en Stand By) Marca JASKAWA ELECTRIC MFG Co Modelo H Potencia de motor 650 HP Capacidad de bombeo 673.5 GPM Presi´on m´ax. de operaci´on 844 psi Range speed 850 – 885 RPM
Cuadro 5: Bombas de Alta Presi´on Mars
Material Acero sin revestimiento interior Clase SCH – 80 ASTM A-53B Longitud de tubos 21 pies Di´ametro interior 8 pulgadas Espesor ½” Longitud aproximada 5,000 metros lineales
Cuadro 6: Tuber´ıa de Alta Presi´on
