APUNTES DE INGENIERIA MECANICA: MAQUINAS MINERAS MOVILES

Título:	MAQUINAS MINERAS MOVILES
Subtítulo	SELECCION I
Fecha de realización:	04/01/2017
Grupo:	DISEÑO Y SELECCION DE MAQUINAS
Tema:	MAQUINAS MINERAS
Código:	DIS-MIN-MMM-01-03

INDICE

1 SELECCIÓN DE EQUIPOS MOVILES MINEROS.
1.1 ANALISIS GENERAL.
1.2 METODOLOGIA DE SELECCION.
2 BIBLIOGRAFIA

	Fecha	Autor	Observaciones
	04/01/2017	Ing. Juan Carlos Miranda Rios	Documento Base
Rev.01
Rev.02

MAQUINAS MINERAS MOVILES

1 SELECCION DE EQUIPOS MOVILES MINEROS

1.1 ANALISIS GENERAL

La selección adecuada de los equipos, se debe realizar tomando como base la combinación del conocimiento operativo de la máquina y de los cálculos que conducen a dicha selección, por lo que resulta recomendable conocer y entender los parámetros básicos del movimiento de rocas o tierras.

Antes de comenzar, vale la pena recordar que ningún componente o pieza de una máquina ha sido diseñada para efectuar un trabajo universal por sí sola, aun cuando existe cierto tipo de unidades que pueden ser usadas en varios tipos de operaciones de carga, lo que no quiere decir que necesariamente esa aplicación sea la más eficiente o la más rentable.

Algunos de los factores que han resultado significativos en el éxito de las operaciones mineras superficiales, pueden ser los siguientes:

Ritmos de producción mucho más altos.
La posibilidad de pasar de una antigua mina subterránea a una explotación superficial.
El fuerte descenso en la ley de corte o calidad del mineral, que justifica el cambio de operación, ampliando los recursos explotables económicamente.
La posibilidad y necesidad de incrementar la productividad por hora y obrero.
Mejorar las recuperaciones de los minerales del depósito en la explotación.

Con respecto a la productividad se puede afirmar que ésta ha sufrido unos notables incrementos, por lo que ha sido posible explotar económicamente unos minerales de ley mucho más baja, antes considerados como marginales, lo cual es indicativo de los avances tecnológicos logrados con los sistemas de explotación superficial. El aumento en la productividad de las operaciones a cielo abierto, se ha debido en buena parte a:

El perfeccionamiento en el diseño de los equipos para los procesos del movimiento de rocas y tierras.
La introducción de los explosivos de bajo costo, tales como el ANFO.
El desarrollo de grandes máquinas perforadoras rotativas y de percusión, que han permitido la perforación de barrenos de producción más largos y de gran diámetro y con ello unas mayores voladuras de hasta un millón de toneladas por disparo.
El empleo de mayores unidades de transporte, con un continuo aumento en su capacidad volumétrica y por el desarrollo de unos motores cada vez más potentes y con un menor consumo de gas-oil.
Los equipos de excavación y carga han crecido paralelamente a los de transporte, notándose unos cambios importantes que van desde las antiguas excavadoras de 8 m3 de capacidad, hasta las enormes excavadoras actuales con cubas de 45 m3 de capacidad.
Lo mismo ha sucedido con las Dragalinas que se usan en los grandes desmontes, las cuales han tenido unos incrementos notables desde aquellas con cucharones de 46 m3, hasta las gigantescas "mamuts" de 200 m3.

Generalmente, la explotación superficial se considera más ventajosa que la subterránea, sobre todo cuando se consideran factores tales como recuperación, control de leyes, economía, flexibilidad y seguridad; sin embargo y a pesar de todas estas ventajas, muchos depósitos no son susceptibles de explotarse por este método, ya sea porque son pequeños e irregulares, o bien porque se localizan a una profundidad tal que resulta poco rentable su explotación por métodos superficiales.

Cuando el mineral económico profundiza, se pueden seguir empleando los métodos de explotación superficial a base de remover unos volúmenes de estéril cada vez mayores; razón por la cual es necesario imponer un límite económico, más allá del cual la operación a cielo abierto debe ser abandonada o convertida en explotación subterránea.

Tres tópicos fundamentales son, actualmente, los criterios básicos para la selección de la maquinaria minera:

Los criterios sobre el diseño y la geometría de la maquinaria se deben supeditar a aquella para lograr el menor costo y la mejor productividad, así como el trabajo más seguro.
A mayor inversión en una maquina suele corresponder un menor costo operativo y, viceversa, con una menor inversión se obtiene un mayor costo de operación.
La maquinaria debe asegurar, durante toda su vida, el suministro de mineral con la calidad deseada y con el mínimo costo posible.

Buscar un equilibrio y armonía en el diseño de la maquinaria, sin sacrificar la holgura necesaria para operar con seguridad y con eficiencia, así como no caer en el doble error de que: lo caro es lo mejor y lo más barato lo más económico, debe ser el objetivo final de una buena decisión que es tanto más difícil cuanto que son muchas las alternativas posibles y, en general, muy variadas.

1.2 METODOLOGIA DE SELECCION

Conociendo el inventario de minerales, las reservas explotables, la relación de desmonte, los estudios de viabilidad y el análisis de riesgo y sensibilidad, se puede establecer aproximadamente la magnitud las operaciones, la vida de la mina, el capital de riesgo, la etapa de desmonte previo, la capacitación del personal, etc., todo lo cual será el punto de partida para la selección de los equipos que existan en el mercado, de las diferentes marcas comerciales disponibles y de las correspondientes capacidades.

Una buena práctica antes de tomar la decisión de compra de un determinado equipo, es conocer algunas operaciones similares que trabajen con máquinas de la capacidad y marca de las que se tiene pensado utilizar y adquirir, para conocer sus problemas y los parámetros más críticos correspondientes. El mayor problema al que se enfrenta un ingeniero al comprar el equipo, es definir el tipo, la marca y el tamaño del mismo, sin caer en la esfera de influencia de vendedores tenaces que llenarán la cabeza de datos técnicos y cualidades del equipo que pretenden vender, factores que resultan determinantes en la selección.

Al realizar la selección el equipo de carga, el responsable debe tomar en consideración antes de comprar, la información técnica disponible del yacimiento relacionado con el tipo del material rocoso a excavar, la concentración del trabajo a realizar, la existencia de diferentes frentes de ataque en lugares alejados, ya que la movilidad del equipo es fundamental. Por ejemplo, las palas frontales montadas sobre neumáticos poseen una ventaja decisiva, a diferencia de cuando el trabajo se encuentra concentrado en grandes tajos donde la movilidad del equipo de carga no resulta tan importante y por tanto resulta más práctico contar con una excavadora de mayor capacidad montada sobre orugas, que aunque resulta más cara de adquisición que una pala frontal, su capacidad de carga es mayor y su movilidad menor y los costes unitarios por tonelada o por metro cúbico son menores si el equipo es el idóneo.

El éxito en la administración de una empresa minera, consiste en realizar el esfuerzo para aprovechar al máximo los sistemas y los equipos de los que se dispone, para producir la mayor cantidad de mineral al menor coste posible; motivo por el que los directores no sólo deben ser hábiles administradores, sino que también se deben mantener actualizados en el desarrollo de nuevos y mejores procesos y en las innovaciones de las máquinas y los equipos, además de evaluar las necesidades de su operación de tal forma que le permitan seleccionar el equipo que mejor resuelva su problema de operación.

Asimismo, todos los equipos de servicios que se piensen añadir, deben ser cuidadosamente analizados desde el punto de vista técnico, a fin de asegurar su compatibilidad con el resto de la operación. Se deben reunir y estudiar todos los hechos y antecedentes relacionados con la adquisición de componentes y repuestos, con objeto de asegurar que se ajusten adecuadamente tanto al equipo como a las necesidades de la operación. Cualquier fallo o error al considerar cada uno de estos factores, se puede traducir en la compra de la máquina equivocada o inadecuada, la que deberá ser operada por muchos años hasta recuperar la inversión de capital a un coste más elevado que el de la máquina que se debió comprar correctamente.

El camino más seguro para evaluar una máquina o un sistema, es la demostración física en un modelo a escala bajo las condiciones normales de operación. Estas pruebas son de mucha utilidad en la comparación de equipos nuevos o diferentes, con los actuales o de uso diario. Donde las pruebas a escala o pilotos no sean posibles, existe otra apreciación válida que se puede realizar mediante el uso de simulaciones con técnicas de investigación de operaciones, donde el uso de un programa de ordenador, resulta fundamental para el manejo de los grandes volúmenes de datos que supone una explotación a cielo abierto o de interior.

Cuando se contemplen sustituciones de equipo, siempre es útil asegurar que los operadores estén plenamente informados del cambio y totalmente convencidos de las ventajas que ello representa en función de los métodos y procedimientos de operación.

En la selección de la capacidad de un equipo de carga se deben tomar en cuenta tres factores fundamentales:

El coste por tonelada de roca excavada y cargada. Muy especialmente el consumo energético y forma de la energía a utilizar.
Condiciones de la organización bajo las que debe trabajar el equipo.
Disponibilidad y utilización del equipo y de la flota.

Al estimar el coste por tonelada, con base en operaciones similares, deben tenerse en cuenta los siguientes factores:

Magnitud de las operaciones, volúmenes o tonelajes a extraer por periodo, que deben justifican los altos costos de capital en equipos de gran capacidad.
Los costos directos de transporte y montaje y el tiempo preciso de instalación.
Los costes por concepto de amortización en los equipos de gran capacidad son menores por su mayor vida util.
Las limitaciones de peso impuestas en carreteras y las alturas en los pasos a desnivel que pueden restringir el tamaño de los equipos grandes al dificultarse el transporte de los conjuntos para su montaje.
Los costos por el tiempo perdido en mantenimiento por falta de repuestos de poco consumo, que sólo se manufacturan sobre pedido, lo cual resulta mayor en los equipos grandes.
Los costes de perforación y voladura bajan cuando se utilizan grandes diámetros de perforación y alturas de bancos del orden de 15 m (dimensión estándar en las operaciones que usan los equipos grandes), lo cual obliga a mayores máquinas de carga y transporte.
El equipo mayor de carga tiene una vida útil más grande que el pequeño, si se le da el mantenimiento adecuado.
El coste de mano de obra por tonelada producida, se reduce considerablemente en las operaciones de alto tonelaje que usan máquinas de gran capacidad.

Para realizar la selección de la capacidad del equipo de carga, se deben tomar en cuenta las siguientes condiciones relacionadas con el frente de trabajo.

La altura del banco. A efectos prácticos, es la que define el alcance del equipo de carga y de perforación.
Material a excavar. El tamaño de los fragmentos producidos por las voladuras, puede aumentar cuando se usan cucharones grandes en los equipos de carga.
El ritmo de producción. Si el ritmo de producción diaria es alto, se deben emplear grandes equipos de carga, sin llegar a depender únicamente de un sólo equipo, siendo muy buena práctica elegir tres unidades como mínimo y lo mismo para la perforación.
Dureza del material. Cuando el material a excavar presenta cierto grado de dificultad en su excavación el cucharón de equipo mayor tiene más poder de arranque.
Densidad del material. Si el material a excavar es de alta densidad, a un equipo de carga grande, se le debe adaptar una cuba de menor volumen, manteniendo su capacidad de carga en peso sin las grandes limitaciones en el tamaño de los fragmentos.
Compatibilidad de equipos. Al seleccionar el equipo de carga se debe tomar en cuenta la disponibilidad en el mercado de los equipos de transporte, ya que es de gran importancia que sea equilibrado y armónico con la unidad de carga para que ésta pueda completar el ciclo de carga en un promedio de entre tres y seis pasadas. Suele tomarse la regla de dedo de que la relación entre el volquete en tonelada corta es de 10 veces la capacidad de la cuba en yardas cúbicas. Esto es: para un volquete de 200 st debe elegirse una excavadora de unas 20 yardas cúbicas.
Condiciones de trabajo en función de la elevación. Cuando se usa una maquinaria diésel hay que tener en cuenta que por cada 100 m de altura s.n.m., los motores de cuatro tiempos disminuyen un 1% en potencia. En los motores dedos tiempos, con turbo-alimentación, la potencia se mantiene hasta los 1,828 m de altura s.n.m., y después de ésta altura, pierden un 1% de potencia por cada 100 metros. Es raro en la minería el uso de excavadoras Diésel, pero no de palas sobre ruedas.

Al trabajar en la selección del equipo, también se debe tomar en cuenta la disponibilidad, su utilización, fuerza de trabajo y mano de obra especializada para mantenimiento de los equipos operando en niveles razonables, aun contratando los servicios especializados con empresas independientes. Algunos de los parámetros que se han tomado de la experiencia de otros usuarios del equipo a seleccionar, las disponibilidades y utilización, se pueden calcular como sigue:

H_E = Horas existentes = 365 x 24 = 8760 Horas /año

H_P = Horas programadas = nº de días x relevos /día x horas /relevo

H_T = Horas trabajadas por el equipo o la flota

H_Tc = Horas de tacómetro

H_PEM = Horas de paradas por reparación y mantenimiento.

Las horas trabajadas son las horas programadas menos las horas de paradas por reparación y mantenimiento (H_T = H_P - H_PEM) y de ello resultan las siguientes fórmulas de control de la calidad del mantenimiento y de su organización.

% UTILIZACIÓN = H_P / H_E x 100

% DISPONIBILIDAD = H_T/ H_P x 100

% RITMO = H_Tc /H_T x 100

% EFICIENCIA = UTILIZACIÓN x DISPONIBILIDAD x RITMO

Los pasos básicos de selección de equipos de carguío y transporte son los siguientes:

1. Determinar la producción requerida.

Los requerimientos de producción totales pueden verse afectados por una serie de factores externos al proyecto. Estos pueden incluir proyecciones de ventas, contratos, cantidad de reservas disponibles y otras operaciones de la compañía. En base a estos antecedentes se debe definir la cantidad total de mineral a producir. Requerimientos de producción se establecen, generalmente, para periodos de un año.

La producción total anual debe entonces convertirse en tasas de producción diaria u horaria para cada operación. La tasa de producción de ciertas operaciones unitarias se verá afectada por variables como el porcentaje de recuperación, ley del mineral y razón de sobrecarga. Por ejemplo, en la medida que la razón de sobrecarga aumenta en una mina de carbón, la remoción de la sobrecarga debe aumentar proporcionalmente de manera de asegurar una producción constante de mineral. Por lo tanto, las tasas de producción de carguío y transporte deben considerar el mineral de interés, así como el estéril que es necesario remover para acceder a dicho mineral.

2. Determinar alcance o recorridos de transporte.

Equipos de base fija cargan en un punto y luego rotan en torno a su centro para descargar en otro punto. La máxima distancia horizontal sobre la cual un equipo puede cargar o botar el material se define como su alcance. La geometría del depósito a excavar es el factor primario para determinar el alcance requerido por el equipo.

Los recorridos de transporte se refieren a las distancias y pendientes que deben recorrer equipos móviles. Tanto para las unidades de transporte como para aquellas que combinan el carguío con el transporte, hay cierta distancia que debe ser recorrida para llegar al punto de descarga. Sin embargo, esta distancia no es necesariamente una línea recta. En el caso de una mina subterránea, la configuración espacial de las excavaciones determinará la distancia total a recorrer, aunque esto también puede verse afectado por factores tales como la ventilación y la disponibilidad de energía eléctrica, mientras que en una mina a cielo abierto, la principal consideración es la topografía. Los límites de la propiedad y el derecho a vía legal pueden también afectar estas distancias.

3. Calcular tiempo de ciclo.

El tiempo de ciclo para una operación unitaria puede dividirse en dos componentes principales. La primera componente la constituyen todas aquellas operaciones que tienen una duración relativamente constante de una aplicación a la próxima: virar, cambiar de posición, descargar y cargar. Valores estimados del tiempo necesario para realizar cada una de estas funciones pueden obtenerse generalmente de la documentación del fabricante del equipo. La componente variable del ciclo, está asociada con el tiempo de viaje para equipos móviles y con el tiempo de giro en el caso de equipos de base fija.

4. Calcular capacidad.

La relación general entre tasa de producción, duración del ciclo y capacidad es bastante simple y puede establecerse como:

Cuando se han considerado todos los factores de eficiencia:

El cálculo de la capacidad requerida es bastante directo cuando los requerimientos de producción han sido establecidos y se han estimado los tiempos de ciclo y los factores de eficiencia. Es importante recordar que los equipos están diseñados para manejar un cierto peso, por lo que en los cálculos finales se debe considerar la densidad del material, así como su esponjamiento, para asegurarse de que tiene la capacidad de manejar el material requerido.

5. Iterar para mejorar la productividad.

El tipo de maquinaria considerado en el punto 4 puede no ser el adecuado y tras el cálculo de la capacidad requerida, puede ser necesario utilizar un tipo de maquinaria diferente. Al seleccionar un tipo diferente de equipos, los tiempos de ciclo deben ser re-estimados así como las capacidades y factores de eficiencia. El cálculo de la capacidad debe ser refinada nuevamente para determinar si el equipamiento propuesto puede satisfacerla. Varias iteraciones pueden ser necesarias antes de encontrar una solución satisfactoria. Sin embargo, puede haber más de una solución al problema de carguío y transporte. Sabiendo que la tasa de producción es directamente proporcional a la capacidad e inversamente proporcional al tiempo de ciclo de la maquinaria seleccionada, el ingeniero puede hacer varias iteraciones de manera de definir un número de flotas de carguío y transporte para hacer comparaciones de costos.

6. Calcular el tamaño de la flota de equipos.

Hasta ahora, la discusión se ha centrado principalmente en la selección de un equipo específico de carga-transporte o en un equipo de carga asociado a otro de transporte, aunque en la realidad, se dispone de una flota de equipos que deben realizar esta labor (ya sea porque una unidad de carguío y una de transporte pueden no satisfacer los requerimientos de producción, o bien, porque no se quiere tener toda la producción dependiente de un solo equipo). La posible economía de escala que se realiza al tener un solo equipo de gran tamaño debe sopesarse respecto a la incertidumbre asociada a la disponibilidad de este equipo. Mientras una flota de equipos puede seguir trabajando si alguno de sus componentes no estuviera disponible por razones mecánicas, la producción debe esperar si el único equipo de carguío o transporte sufre algún imprevisto y debe detener su operación para solucionar un problema mecánico.

Existen varios algoritmos que permiten calcular la disponibilidad de equipos en una flota. Así, el número total de equipos necesarios para satisfacer una producción dada, puede calcularse en base a la disponibilidad.

7. Iterar para reducir costos de capital y de operación.

La fase técnica del proceso de selección identificará cierto número de sistemas alternativos de carguío y transporte. Una comparación de costos debe realizarse, que considere el costo de capital, costo de operación y la vida de los equipos en años. Adicionalmente al análisis económico tradicional de ingeniería, se pueden realizar simulaciones de los distintos sistemas de carguío y transporte, lo que permiten verificar algunas de las hipótesis que se asumieron para su selección.

Además, estos sistemas permiten a menudo identificar alternativas a las definidas por medio del sistema de selección determinista planteado anteriormente.

2 BIBLIOGRAFIA

Curso de Laboreo II y Explosivos – Universidad Politecnica de Madrid – Escuela Técnica Superior de Ingenieros de Minas – Catedra de Laboreo de Minas - Prof. D. Fernando Plá Ortiz de Urbina, D. Juan Herrera Herbert y D. Victor Manuel Lopéz Aburto
Máquinas para movimiento de tierras – Jean Costes
Manual de Arranque, Carga y Transporte en Mineria a Cielo Abierto – Instituto Tecnológico Geominero de España.
Curso Carguio y Transporte – Capitulo 1 – Introducción – Alejandro Cruzat G.
Explotación de Yacimientos – Ing. Ernesto L. Pesce

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