Simulation and excavation of horizontal developments in Block/Panel Caving Mining

Abstract

This research explores the underground excavation method of drilling and blasting on multiple faces with two objectives. First, through a global investigation of mine planning, the conventional excavation system using explosives is analyzed to quantify the efficiency of tunnel construction. Secondly, the drilling and blasting process is explored to compare advance performance when applying ANFO versus emulsion in the process. To achieve the first objective, discrete event simulation techniques were applied in the short-term planning process of horizontal developments in a case study of a mine operated by Panel Caving. The simulation model was built and calibrated in simulation software especially designed for mining: SimMine. The inputs for the model were obtained from the field in a previous study and included unit operation times, as well as interferences. In this particular case, field study showed that the excavation cycle was unnecessarily extended by the interference between unit operations. In fact, the interference found between unit operations represented the biggest losses of time. Then, to increase the forward performance of excavation, it was necessary not only to optimize the individual activities of the cycle, but also to reduce the time lost due to interferences. For the second objective, the role of explosives in the blasting of horizontal developments on multiple faces was analyzed. For this study, the use of ANFO and emulsion was contrasted in terms of the number of boreholes, dilution of toxic gases (which represents less ventilation time), advance per round and overbreak. The data for the comparative analysis is based on blasting tests carried out in both small- and industrial-scale tests. Results showed that using emulsion a greater efficiency of advance was reached, with fewer boreholes and less ventilation time needed than with ANFO. It was also observed that overbreak was influenced by the concentration of linear charge in the contour boreholes. In the first case, it was concluded that planning with variability in process times, as well as capturing the various interferences, yielded returns close to reality, making the simulation a support tool for decision-making in planning. In the second case, improvements were observed in the blasting operation and in advance performance in horizontal developments when using emulsion versus ANFO explosive.

Este trabajo de investigación versa sobre el sistema de excavación en roca mediante perforación y tronadura en múltiples frentes y considera dos enfoques: en el primero se investiga de manera global el sistema de excavación convencional con el uso de explosivos desde un punto de vista de planificación a fin de cuantificar la eficiencia del sistema constructivo de túneles. En el segundo se ahonda sobre el proceso de arranque mediante explosivos identificando para ANFO y emulsión el rol que tienen los explosivos en el avance y las interferencias. Se aplicaron técnicas de simulación de eventos discretos en el proceso de planificación de los desarrollos horizontales en múltiples frentes para un caso de estudio de una mina explotada por Panel Caving, encontrando que para este caso particular, el ciclo de avance está altamente influenciado por las interferencias entre operaciones unitarias, de forma tal que para aumentar el rendimiento de avance no solo es necesario optimizar las actividades del ciclo individualmente, sino que es preciso una disminución en los tiempos perdidos por interferencias. El modelo de simulación fue construido y calibrado en un software de simulación especialmente diseñado para minería: SimMine. Los inputs para el modelo fueron obtenidos en terreno en un estudio previo e incluyeron tiempos de operaciones unitarias, así como de interferencias, estos fueron representados a través de distribuciones de probabilidad triangulares para cada uno de ellos. Las interferencias halladas entre operaciones unitarias representan las mayores pérdidas de tiempo. En el segundo estudio, se analizó el rol del explosivo para el arranque de roca en los desarrollos horizontales en múltiples frentes. Con lo cual se pudo contrastar el uso de ANFO y emulsión en términos del número de tiros, dilución de gases tóxicos (lo que representa menor tiempo de ventilación), avance por disparo y sobre-excavación. Los datos para el análisis comparativo se basan en pruebas de tronadura realizadas en terreno a escala piloto e industrial, de las cuales se obtuvo que con la emulsión se alcanza una mayor eficiencia de avance, se necesita menor cantidad de tiros y menor tiempo de ventilación que con el ANFO. También se evidenció que la sobre-excavación está influenciada por la concentración de carga lineal en los tiros de contorno. Del primer caso, se concluye que planificar con variabilidad en los tiempos de proceso, así como captar las diversas interferencias, arroja rendimientos cercanos a la realidad, convirtiéndose la simulación en una herramienta de apoyo en la toma de decisiones en la planificación de los desarrollos horizontales en múltiples frentes. En el segundo caso, se evidenció que existen mejoras en la operación de tronadura en desarrollos horizontales, de acuerdo a las variables medidas, al comparar el desempeño de la emulsión con respecto del ANFO.