Empernado de Rocas más Seguro, más Simple y más Rápido

Equipo Minero examina algunos de los recientes avances en la tecnología del empernado de rocas

Por Carly Leonida, Editora Europea

A medida que las minas de roca dura exploran a mayor profundidad, uno de los principales desafíos que enfrentan es el aumento de la tensión de la roca. En un intento por mejorar la seguridad y extender la vida útil de sus operaciones, algunos mineros y grupos de
investigación están desarrollando nuevos métodos y técnicas de minería para gestionar y mitigar la tensión de la roca. Sin embargo, estos nunca reemplazarán la necesidad de un sistema de sostenimiento de terreno bien diseñado y robusto. Es una combinación de ambos que permitirá a las empresas crear un futuro sostenible para sus activos.

En los últimos años, han surgido dos claras tendencias en el desarrollo de pernos de roca y máquinas para su instalación: en primer lugar, la necesidad de acelerar y simplificar el proceso de empernado, sin dejar de ofrecer el mejor sostenimiento posible para estratos. Y en segundo lugar, la necesidad de mayor seguridad, no sólo para las personas que trabajan en la mina, sino también para los propios empernadores.

La Revolución de las Baterías

Stuart Lister, vicepresidente de marketing y comunicaciones de MacLean Engineering, habló con Equipo Minero sobre los retos que enfrentan los operadores. “A corto plazo, es el aumento de la práctica de empernar el frente como parte estándar del ciclo de desarrollo de la mina,” dijo. “A más largo plazo, es el reto de introducir la automatización completa en la instalación de soportes de terrenos como parte del ciclo minero, mientras se mantiene la productividad.”

Para ayudar a abordar estos desafíos, MacLean, con sede en Canadá, ha fijado su mirada en el mercado de los vehículos eléctricos a batería (BEV). Ya que la capacidad de los empernadores alimentados por baterías ha mejorado, las minas están aprovechando la oportunidad para disminuir su dependencia del diésel y mejorar las condiciones de trabajo de los empleados; un escenario en el que todos ganan.

“El primer BEV que presentamos fue un empernador de tijera MacLean 975 Omnia, en 2016, cuando lanzamos nuestro Programa de Electrificación de Flota Total en MINExpo,” explicó Lister. “Desde entonces, hemos fabricado y vendido más de 30 BEVs en Canadá.

“La clave para conectar el ciclo de la batería al ciclo de la minería subterránea es entender tanto la tecnología como la aplicación. Nuestro accionamiento EV integra baterías de litio de larga duración y ricas en datos y motores eléctricos de alta eficiencia y alto par, junto con cargadores a bordo, de modo que toda nuestra flota de unidades BEV es capaz de cargarse durante un turno desde las redes eléctricas existentes en las minas.

“Además, cuando vendemos un BEV, también tenemos experiencia de servicio en terreno, y capacitación de operadores y de mantención para apoyarla.”

En lo que respecta a las jurisdicciones, Ontario está actualmente a la vanguardia de la revolución de los BEVs. La provincia presume de algunas de las minas más profundas del mundo y, con una serie de nuevos proyectos significativos en desarrollo, las flotas eléctricas son una opción natural para las empresas mineras que buscan demostrar sus credenciales ecológicas.

MacLean cuenta con una flota de 15 unidades de BEVs de apoyo a la producción que actualmente trabajan en operaciones subterráneas en la mina de oro Borden totalmente eléctrica de Newmont Goldcorp, incluyendo seis empernadores de roca.

“Los empernadores MacLean en Borden han registrado miles de horas de trabajo desde el 2017, desde que el proyecto pasó del desarrollo a la producción,” dijo Lister. “Funcionan exactamente igual a un empernador MacLean alimentado a diésel, excepto que ofrecen un entorno operativo con cero emisiones, poco ruido y bajo calor.

“Como con cualquier proyecto minero pionero, han surgido problemas operativos y de mantención a lo largo de los años, pero éstos se han abordado mediante una fuerte comunicación bidireccional y una filosofía de asociación de innovación de primera línea que compartimos con Newmont Goldcorp. Este enfoque ha sido respaldado por el hecho de contar con un técnico de servicio de MacLean en terreno los siete días de la semana, y con nuestros equipos de gestión de cuentas, gestión productos e ingeniería que trabajan estrechamente con la gerencia en el sitio, para responder rápidamente a los problemas y compartir los aprendizajes y las mejores prácticas de este proyecto pionero.

“Todo el mundo es consciente de que el mundo está mirando, por lo que existe una responsabilidad compartida con respecto a trabajar en equipo para ver que tenga éxito.”

Lister añadió que, debido a que las empresas mineras buscan yacimientos mineros a mayor profundidad y encuentran mayores tensiones en las rocas y temperaturas ambientales, la opción de un empernador frontal eléctrico a batería, que reduce la exposición al diésel, es cada vez más interesante para la cartera de clientes de la empresa.

“Recientemente hemos vendido empernadores frontales fuera de Canadá, lo cual es una primicia para nosotros,” dijo. “Es una señal de que la necesidad de reducir el riesgo del operador debido a las rupturas por presión, es universalmente compartida por toda la comunidad de la minería subterránea.”

Reduciendo el Peligro y la Dilución

El especialista en empernado, JH Fletcher & Co., también ha notado mayor interés de los mineros de roca dura que buscan bajar a mayor profundidad y mantener operaciones seguras y económicas al mismo tiempo. La empresa citó la instalación de pernos de roca en conjunto con la malla de alambre y el uso de lechada de cemento bombeable de fraguado rápido en lugar de cartuchos de resina, como una
tendencia clave.

La coordinadora de marketing Katey Matney explicó: “A medida que las minas se hacen más profundas, hay un mayor interés en los sistemas de manejo de mallas. Fletcher ofrece un sistema de manejo de mallas en todos los empernadores remotos de techos metálicos y no metálicos. El sistema está compuesto por una pluma independiente diseñada específicamente para el manejo de mallas. Se trata de una pluma giratoria, extensible y articulada con una pinza basculante, giratoria para mallas. La pluma está montada junto a la pluma de empernado con los controles de pluma de manejo de mallas por piloto montados en la cabina.”

En las minas metálicas es esencial reducir la dilución y, debido a que muchas operaciones se ven obligadas a utilizar equipos de minería estándares de gran tamaño, deben lidiar con altas tasas de dilución. Para combatir esto, Fletcher ha desarrollado una gama de empernadores para acomodar operaciones de vetas angostas junto con equipos personalizados que se ajustan a las necesidades específicas del cliente.

“Los clientes pueden establecer las necesidades específicas de su operación, reduciendo a su vez la dilución,” explicó Matney.

Una de las mayores preocupaciones en materia de seguridad es el uso de martillos perforadores para el empernado de techos. Los operadores están expuestos a peligros tales como la caída de rocas desde el techo, pilar de seguridad y frente; peligros de tropiezos; peligros por flexión, torcedura e izaje, altos niveles de ruido y gases de escape. La operación continua de los equipos portátiles también puede afectar negativamente la salud de los operadores a largo plazo y dar lugar a tasas más altas de rotación de personal en las empresas mineras.

El uso de equipos mecanizados construidos especialmente con flexibilidad adecuada tiene el potencial de mejorar la seguridad en el lugar de trabajo, reducir la exposición de los operadores al peligro y mejorar la salud de los trabajadores de galerías.

El enfoque de Fletcher con su línea de productos de vetas angostas es mejorar la seguridad de los trabajadores que instalan los soportes de terreno en las operaciones de vetas angostas, y también en áreas confinadas como a lo largo de las correas transportadoras, en el desarrollo de entradas únicas, o en áreas de compuertas traseras donde el soporte suplementario existente puede impedir el uso de una máquina más ancha.

“Nuestra línea de productos para vetas angostas continúa creciendo a medida que encontramos nuevas operaciones y desafíos, creando una diversa selección de equipos diseñados para acomodarse a áreas de trabajo restrictivas. Estos productos han tenido mucho éxito en muchas operaciones canadienses de vetas angostas y continúan siendo un foco clave de desarrollo para Fletcher,” agregó Matney.

Medidas hacia la Automatización

La digitalización también está ayudando a modernizar y acelerar el proceso de empernado, pero el camino hacia la automatización total no será sencillo para este segmento.

“La parte del ciclo de minería que se refiere al sostenimiento de terrenos será sin duda la parte más difícil para hacerla totalmente autónoma,” dijo Lister. “Nuestra filosofía es tomar medidas graduales para lograr este objetivo final, donde cada medida sentará las bases para nuevas mejoras. Creemos que el primer paso clave es aprovechar los datos procesables de la finalidad de la aplicación de un empernador, lo cual es lo que podemos hacer actualmente en el empernador MacLean equipado con el sistema de monitoreo de máquinas IntelliOp.

“La capacidad del experimentado operador del empernador para interpretar las señales visuales junto con los ruidos de la perforación y las rocas para que la unidad sea operada siempre de forma segura y productiva, es algo que no será reemplazado por un computador, al menos en un futuro próximo. Sin embargo, con los datos en tiempo real para apoyar la toma de decisiones de los operadores — ya lo logramos.”

La interoperabilidad es un requisito clave de IntelliOp y, como tal, Maclean ha diseñado el sistema para que fun-
cione de forma autónoma o para vincularlo a un sistema en toda la mina que abarque los equipos y software de otros fabricantes de equipos originales y de terceros.

“Contamos con un importante contingente de ingenieros y técnicos dedicados exclusivamente a las iniciativas de automatización y digitalización, por lo que esto nos permite adaptar continuamente el sistema y trabajar con nuestros clientes para garantizar que obtengan los beneficios de IntelliOp, independientemente de los demás sistemas que utilizan en su mina,” añadió Lister.

La capacitación de empernadores es otra área que ha experimentado una transformación digital. Si bien es posible que nunca se pueda reemplazar el valor que un operador de empernador experimentado puede aportar a los cursos de capacitación introductorios o de actualización para el personal de una mina, sí es posible agregar nuevas herramientas de enseñanza al kit de herramientas de un instructor.

“Así es como hemos abordado el desarrollo de nuestra primera herramienta de capacitación en realidad virtualm,” dijo Lister a Equipo Minero. “Comenzó como una forma de introducir los componentes básicos y la operación de un empernador MacLean a los operadores que nunca antes habían experimentado uno, y ha evolucionado hasta convertirse en una herramienta de capacitación versátil que permite incluso a los operadores experimentados afinar sus habilidades y prepararse para situaciones como incendios y averías de máquinas de una forma que nunca antes pudieron con la capacitación tradicional.

“Nos gusta que sea ultra portátil, fácil de llevar a sitios mineros remotos según se requiera, y agrega un nuevo elemento a la porción de capacitación en sala de clases, especialmente para reforzar nuestro mensaje de ‘seguridad primero.”

El enfoque de MacLean a corto plazo es realizar mejoras continuas a su producto de empernado estrella, el empernador de tijera 975 Omnia, un ejemplo de ello es la reciente adición del empernado frontal como opción.

“Ya estamos buscando opciones para introducir la automatización al proceso de empernado dentro del ciclo de minería,” dijo Lister. “Este será un importante foco de desarrollo de productos para apoyar a la próxima generación de la minería subterránea cada vez
más autónoma.”

Encontrando la Fórmula

Mientras tanto, Fletcher ha desarrollado un sistema de mapeo del techo para ayudar a encontrar la fórmula del proceso de empernado del techo. El sistema funciona como una herramienta de comunicación entre la máquina y su operador. Consiste en sensores ubicados en la pluma y en el cabezal porta-brocas de cualquier empernador remoto estándar. Estos sensores extraen y analizan los datos y los comunican al operador en forma gráfica. Luego, el operador puede ver las condiciones del techo (incluyendo las cavidades) y ajustar el tipo y la longitud de los pernos conforme a las necesidades del área específica.

“Los preajustes de este sistema pueden ser programados específicamente según los requerimientos del cliente,” explicó Matney. “El sistema de mapeo de techo ha demostrado que establece una instalación de pernos de techo más consistente, así como ayuda a reducir la fatiga del operador.”

Fletcher también ofrece un sistema de recopilación de datos como característica opcional para su gama de empernadores de techo. Esto permite al operador recopilar datos mientras la máquina está en operación. Los datos registrados de los equipos individuales pueden ser cargados en un almacenamiento remoto compartido y utilizados para ayudar a los gerentes de mina al entregarles información sobre los problemas de rendimiento de las máquinas. La facilidad de acceso a los diagnósticos y al rendimiento de las máquinas ayuda a reducir el tiempo de inactividad y a minimizar los costos de servicio.

Recientemente Fletcher completó la entrega de un empernador de roca 3023-AD equipado con una pluma diseñada para realizar múltiples instalaciones desde la posición de un chasis. El módulo de pernos puede girar 180° a la izquierda de la vertical para perforar el suelo y el pilar izquierdo, así como girar 90° para perforar el pilar derecho. Este rango de movimiento permite al operador perforar el techo, el pilar y el suelo.

Matney le dijo a Equipo Minero: “El sistema utiliza un módulo KRM compacto diseñado para permitir al operador perforar e instalar los pernos a distancia desde la cabina del operador. El sistema consiste en dos mástiles de perforación (uno para perforar y otro para empernar) montados en una pluma de izaje con un sistema de nivelación automático.

“La operación remota es posible a través de un porta- pernos, que está diseñado para contener 12 pernos con placas de 6- x 6-pulgadas. Los estabilizadores delanteros y traseros aseguran la posición de la máquina durante la perforación y la instalación de los pernos. Un cabezal porta-pernos giratorio con alimentación de perforación hidráulica y control de rotación es estándar. Los cartuchos de resina se insertan neumáticamente desde la cabina. La configuración estándar del mástil acomoda pernos de 8 pies (2,4 m) de longitud. El equipo de empernado permite que el carrusel se extienda y retraiga, permitiendo a la máquina acomodar diferentes longitudes de pernos. Este diseño remoto alivia algunas de las cargas de manejo de materiales impuestas a un empernador de techo.”

El 3023-AD también tiene un sistema que permite al operador recoger muestras de polvo sin salir de la cabina. Esto ayuda al operador a determinar las condiciones del terreno y le permite permanecer de manera segura en la cabina mientras se lleva a cabo este proceso.

“En el segmento de metales/no metales, también estamos viendo un crecimiento en nuestro programa de intercambio de módulos de pernos,” dijo Matney. “Este puede ser un módulo nuevo o reconstruido. Los módulos reconstruidos se diseñan siempre con las últimas características de seguridad y están respaldados por nuestra nueva garantía. Para minimizar el tiempo de inactividad, enviamos el módulo al cliente para su instalación y le permitimos devolver su módulo usado a Fletcher después de la instalación.”

Acelerando los Tiempos del Ciclo

Otros proveedores que han sido noticia este año con nuevos productos para la comercialización del empernado son Sandvik, Epiroc y Minova.

En septiembre, Sandvik Mining y Rock Technology lanzó la perforadora de roca RDX5 para la perforación frontal y de agujeros largos, así como para el empernado de rocas. La RDX5 sustituye a la perforadora de roca HLX5 y es completamente intercambiable en todas las aplicaciones donde se utilice su predecesora.

La perforadora de roca RDX5 tiene un intervalo de servicio mínimo mucho mayor. Su diseño sigue el de la HLX5, con un número mínimo de piezas móviles y costuras presurizadas. Se han realizado mejoras en varios componentes, como el cabezal de lavado, la carcasa del engranaje y el cilindro del cuerpo, para ofrecer un mejor nivel de durabilidad a los componentes internos. La RDX5 también tiene un nuevo paquete de percusión y un diseño de pistón patentado que permite mejorar la eficiencia energética.

Sandvik trabajó recientemente con el contratista de minería subterránea Barminco para mejorar los tiempos de ciclo y superar los objetivos de desarrollo en la mina de zinc Dugald River de MMG en Queensland. Barminco ganó un contrato en 2012 para mejorar dos declinaciones de exploración y establecer los niveles de producción en el proyecto. Ese contrato se amplió para incluir la explotación por bancos de prueba y desarrollo adicional, con todas las galerías de avance soportadas por hormigón proyectado y pernos encapsulados con resina.

En 2016, Barminco dio la primicia de otro contrato de cinco años que cubría el desarrollo y la producción. Esto incluyó una meta de desarrollo mensual de más de 900 m utilizando dos jumbos Sandvik.

Al mismo tiempo, MMG decidió pasar del hormigón proyectado a un soporte de malla en el 90% de las galerías de avance de la mina, con el fin de reducir los costos y mantener la eficiencia. La mayoría de los perfiles de soporte incluyeron malla, pernos con resina y pernos estabilizadores y, debido al cambio, el equipo vio que los tiempos del ciclo de empernado aumentaban sustancialmente.

Tras el éxito obtenido con los pernos de dinámica mecánica (MD) de Sandvik en la mina Rosebery de MMG en Tasmania, Barminco buscó implementar la solución de paso único también en Dugald River. El MD es un perno de fricción de 47-mm de diámetro, reforzado con una barra de 20-mm con una disposición de cuña en el extremo superior. Una vez que el perno se introduce completamente en un agujero, similar a un perno de fricción, la tuerca del perno en el collarín se gira para activar la cuña para anclar firmemente el perno.

El perno MD puede reemplazar los sistemas de sostenimiento de terrenos como los pernos con resina, los pernos estabilizadores rígidos e incluso los pernos de alambre. Están clasificados para soportar hasta 30 toneladas
métricas ™, y se pueden realizar alrededor de 30 a 45 instalaciones de pernos por hora.

Gracias a la reducción de los tiempos de ciclo, Barminco pudo aumentar las tasas de desarrollo en Dugald River en más del 50%. Sandvik dijo que desde la implementación del perno MD, Barminco ha desarrollado hasta 950 m en un mes usando dos jumbos Sandvik y alcanza constantemente 800 m.

Barminco y Sandvik también han colaborado para desarrollar una nueva solución de abrazadera para malla que el proveedor de servicios de minería espera que mejore aún más los tiempos de ciclo del sostenimiento de terrenos.

Empernado en Un Paso

Minova también ha estado trabajando en una tecnología de empernado de un solo paso para hacer el empernado de rocas más seguro, más rápido y más eficiente.

La empresa ha combinado las ventajas de sus pernos de anclaje auto-perforantes (SDA) y las lechadas inyectables de resina a granel de dos componentes para crear lo que denomina “una oferta única para el entorno de la minería de roca dura.”

Esta tecnología reduce la manipulación manual del material y mejora la eficiencia general de la instalación. La adherencia inmediata de la resina permite cargar los pernos sin salir del agujero de perforación y, después de varios años de desarrollo, el sistema se probó con éxito en la mina Malmberget de LKAB en Suecia como parte del proyecto Sustainable Intelligent Mining Systems (SIMS).

SIMS forma parte de Horizon 2020, el programa de investigación e innovación más extensivo de la Unión Europea. El paquete de trabajo WP7, que incluye la cooperación de Minova, Epiroc y otros miembros, tiene como objetivo demostrar la metodología de sostenimiento de terrenos, las técnicas de control de terrenos y la tecnología de monitoreo de última generación para su uso en un entorno minero.

“Esta tecnología permitirá un control de terreno rápido y seguro en todas las minas que participan en la demostración y buscará mejorar el control de las vibraciones sísmicas subterráneas y el daño sísmico. El paquete mejorará la seguridad y la estabilidad de las entradas a través de métodos mejorados de control de terrenos,” dijo el grupo en su sitio web.

En combinación con otros paquetes de trabajo, el WP7 también está trabajando en la creación de un proceso de sostenimiento de terrenos totalmente integrado y automatizado. La tecnología de reconocimiento de materiales está logrando avances para mejorar la planificación de la mina, y se están haciendo mejoras en los sistemas de detección de grietas en los techos para aumentar la seguridad de la mina a través de la detección de posibles caídas de rocas.

El ingeniero de investigación de LKAB, Tristan Jones, habló sobre el proyecto en una entrevista reciente para SIMS. “Estamos tratando de crear un proceso de empernado de un solo paso. Típicamente, la forma en que se hace el empernado es que se tiene una perforadora que crea un agujero en la roca, luego se retira, se coloca un perno y luego se atornilla el perno en el agujero y luego eso se rellena con concreto.

“Estamos tratando de minimizar ese proceso, eliminar algunos de los pasos y automatizarlo para quitar a algunas personas de la ecuación y eliminar algunas de las posibilidades de que la gente salga lastimada,” explicó.

“El sistema de alto rendimiento utiliza un sistema de resina de dos partes para anclar los pernos, a diferencia de los empernadores con cemento o lechada que tenemos en funcionamiento actualmente,” dijo Jones. “Uno de los mayores cambios es que en lugar de usar una broca de acero para perforar un agujero y también un perno que se inserta después, hemos cambiado esto para que el mismo perno actúe como broca.” Cada perno tiene una broca en el extremo. Ésta se utiliza para perforar el agujero y luego el perno se mantiene en su lugar mientras la máquina cambia de herramientas y se acopla con un sistema de inyección de resina.

“Las dos partes de la resina son trasladadas desde la parte trasera de la máquina hacia el frente a través de mangueras. Luego se mezclan en una mezcladora antes de que la resina se inyecte en el perno, y la resina sale por el extremo de la broca y encapsula todo el perno. Así es como se ancla en lugar de ser colocado en un agujero relleno con cemento.”

Afrontar las Condiciones Difíciles del Terreno

El sistema de un solo paso fue probado exitosamente utilizando un equipo de empernado de roca Boltec de Epiroc. Epiroc es un coordinador de proyecto para SIMS, y la empresa trabajó con Minova para poner el sistema a disposición de sus clientes mineros en agosto de este año.

En su comunicado de prensa, Epiroc dijo que el sistema es particularmente beneficioso para la instalación de pernos de roca a largo plazo en malas condiciones de terreno. El terreno fragmentado en bloques o quebradizo puede dejar los agujeros de los pernos perforados parcialmente bloqueados, lo que ralentiza o impide la introducción de agentes adhesivos, como la lechada de cemento o los cartuchos de resina en el agujero del perno. La nueva solución ofrece una alternativa de empernado más rápida y fiable.

El sistema integrado de resina bombeable de dos componentes puede ser utilizado con un perno estilo SDA en condiciones de terreno más difíciles o con un perno hueco en dos pasos en condiciones de terreno más moderadas. Cuando es suministrado por Epiroc, el sistema es diseñado para ser utilizado en máquinas de empernado mecanizadas Boltec M y Boltec E.

Los BEVs son otro aspecto clave para Epiroc. El socio de SIMS, Agnico Eagle, obtuvo un pedido de un equipo Boltec E Battery para el tercer trimestre de 2019 para ser usado en la mina de oro Kittilä en Finlandia. La mina ha probado varias máquinas a batería de Epiroc como parte de SIMS, incluyendo un Boomer a batería, un Minetruck MT42 y Scooptram ST14.

Epiroc informó que varios pedidos de otras empresas mineras fueron reservados a principios de este año para las versiones eléctricas a batería de equipos de empernado de roca Boltec y equipos de perforación frontal Boomer. La empresa espera ofrecer versiones eléctricas a batería de su flota completa para la minería subterránea para el 2025.