Modelamiento numérico del flujo de agua en operación de Block/Panel Caving

Abstract

En las operaciones mineras subterráneas a gran escala, como Block/Panel Caving, el ingreso de agua desde la superficie y provenientes del subsuelo mismo es una condición inherente, así mismo, la naturaleza de dichos métodos de explotación condiciona que el bloque mineralizado sea altamente fracturado y que se comporte como un flujo granular que desciende hasta el punto de extracción por gravedad. Procesos de conminución secundaria genera material de granulometría fina que en conjunto con el agua circundante forma barro. Las múltiples perturbaciones del medio (sismos, vibraciones, cargue de material, tronadura, etc.) desencadenan el ingreso súbito del lodo (mud rush) a los niveles de producción y transporte de las minas, produciendo pérdidas de vidas humanas y económicas. El objetivo principal de esta tesis, es conocer los mecanismos físicos del flujo de agua, la cual es la fuerza movilizadora del barro, así como su trayectoria y velocidad hacia los puntos de extracción de mineral, en un medio granular que experimenta difusión de vacíos a causa del desarrollo de la explotación. Esto se ha realizado, a partir de 1200 experimentos numéricos 2D en Comsol Multiphysics ®, considerando porosidades diferenciadas, un medio saturado, continuo, isotrópico y homogéneo y además acoplando la ecuación de Brinkman-Darcy y el modelo cinemático modificado de material granular bajo una solución analítica por Métodos de Elementos Finitos (FEM). Las variables involucradas en el análisis numérico son: densidad local, diámetro de las partículas, área de extracción, separación entre puntos de extracción, velocidad inicial del flujo y estrategia de conexión del Caving. Para cada una de estas, se evaluó su relación de interdependencia y el control que ejercen sobre el comportamiento del flujo de agua para un punto de extracción con tiraje aislado y dos puntos de extracción con tiraje simultáneo. Los resultados permiten sugerir para el caso aislado, que la velocidad del agua a la salida del punto de extracción sigue una tendencia exponencial en relación con el área extraída, es decir, una extracción continua genera la reducción de la velocidad esperada y constituye una estrategia sólida y eficaz de drenaje de la zona activa de movimiento del flujo granular (IMZ). La granulometría y el cambio de densidad local controla la geometría del IMZ, facilitando el flujo de agua hacia el punto de extracción en un 10.58% a 23.31%, respectivamente. Para el caso simultáneo, es importante mencionar que dos puntos alejados entre sí, se comportan como dos puntos aislados que reciben un aporte del 50% de la velocidad inicial, pero sí la separación disminuye, la velocidad esperada se reduce considerablemente por el aumento de zonas altamente permeables que crean nuevas rutas hacia la zona superpuesta. Por otro lado, la estrategia de conexión del Caving controla el flujo de agua en función de la geometría del cave back, donde un tiraje uniforme permite evitar la entrada prematura de agua al nivel de producción. Los dos modelos matemáticos que sintetizan lo anterior, poseen errores relativos de predicción entre 0,83% y 6,09%, y permiten una estimación de la velocidad del agua en el punto de extracción, lo que ayudará a anticipar el tiempo y lugar donde se tiene mayor probabilidad de ocurrencia de un bombeo de barro (mud rush).