Diseño de botaderos mineros: geometría, capacidad y controles

Cada tonelada de mineral viene acompañada de estéril: el recubrimiento que se retira para llegar al yacimiento y la roca sin valor que se arranca con él. El botadero, también llamado escombrera, depósito de estériles o desmontera, es el lugar donde ese material se coloca de forma definitiva.

El diseño tiene que cumplir cuatro cosas a la vez. Debe admitir todo el estéril que producirá la corta a lo largo de su vida. Debe estar cerca de la salida de la corta, porque cada metro de acarreo de más se paga en cada viaje. Debe apoyarse en un terreno capaz de soportarlo sin deslizar y sin cortar el drenaje. Y debe terminar con una forma que se pueda cerrar y restaurar.

Un botadero exterior se construye fuera de los límites de la corta, sobre terreno natural. Un botadero interior rellena una parte ya explotada de la corta; acorta el acarreo, pero solo es posible cuando esa zona está terminada y no queda nada de valor debajo.

La roca vertida no conserva el ángulo que se dibuja; queda en su ángulo de reposo. Para estéril de mina seco, grueso y anguloso suele estar entre 35° y 40°, y 37° es una cifra habitual de planificación hasta que la mina mide su propio material. El material fino o húmedo queda más tendido.

Un nivel de altura h con la cara a un ángulo α ocupa h / tan α en horizontal. A 37°, un nivel de 10 m avanza 13,3 m. Si se apilan n niveles con una berma de ancho b entre cada dos, la distancia horizontal del pie a la cresta superior es n·h / tan α + (n − 1)·b. El ángulo global del talud β sale de la altura total sobre esa distancia: tan β = n·h / (n·h / tan α + (n − 1)·b).

El ángulo de la cara lo fija el material, de modo que la berma es la única palanca del proyectista sobre el ángulo global. Cuatro niveles de 10 m a 37° con bermas de 10 m dan un ángulo global de 25,7°. Con bermas de 20 m baja a 19,5°.

Eso importa en el cierre. Una cara en ángulo de reposo es demasiado empinada para retener tierra vegetal o revegetarse, y los planes de cierre suelen pedir taludes finales entre 2H:1V (26,6°) y 3H:1V (18,4°); la cifra la fijan la autoridad y el proyecto de cierre, no la roca. Un botadero construido por niveles, con bermas dimensionadas para ese ángulo final, puede remodelarse en gran parte dentro de su propia huella empujando cada cresta sobre la berma inferior.

Tome un contorno de pie de 400 m por 300 m sobre terreno llano, cuatro niveles de 10 m, cara a 37° y bermas de 10 m. Son los números con los que se abre la calculadora de arriba.

La distancia del pie a la cresta superior es de 83,1 m en cada lado, así que la plataforma superior que queda mide 233,8 m por 133,8 m y el ángulo global es de 25,7°. El botadero admite 2,86 millones de m³: 1,11 millones en el nivel inferior y 0,82, 0,57 y 0,36 millones en los tres siguientes. Solo el nivel inferior aporta el 39 % de la capacidad.

Ensanche las bermas a 20 m para lograr un talud final más tendido y el mismo contorno admite 2,37 millones de m³, un 17 % menos, con una plataforma superior de 173,8 m por 73,8 m. Un talud más tendido se paga en capacidad o en superficie ocupada; no hay tercera opción.

Esos 2,86 millones de m³ son espacio, no roca en banco. El estéril se esponja al volarlo y cargarlo, y en el botadero no recupera su volumen en banco. Si el material colocado queda un 25 % más suelto que in situ, 2,86 millones de m³ de botadero reciben 2,29 millones de m³ de estéril en banco. El esponjamiento es una propiedad de su roca y de cómo se coloca; mídalo en lugar de suponerlo.

Sobre terreno llano un botadero es una pila de troncos de pirámide y la aritmética tiene forma cerrada. Ningún botadero real se apoya en terreno llano. Su capacidad es el volumen entre dos superficies: arriba, la superficie de diseño del botadero; abajo, el terreno levantado.

La diferencia es grande. El mismo contorno y la misma cota superior admiten mucho más en una vaguada que en una loma, porque el terreno desciende bajo el cuerpo. Por eso la capacidad se calcula contra un MDE y se da nivel a nivel, en una tabla de intervalo de cotas, volumen y volumen acumulado. Leída junto al plan minero, esa tabla responde directamente a la pregunta de planificación: ¿a qué cota se llena el botadero con el estéril programado hasta la fecha y cuándo deja de ser suficiente?

Cada nivel hacia arriba añade además acarreo. La capacidad en lo alto del botadero cuesta más por tonelada que la de abajo, de modo que la curva acumulada es tanto una curva de coste como de volumen.

Muchas roturas de botaderos empiezan en el terreno que hay debajo, no en la roca vertida. Tres aspectos de la cimentación deben estar en el diseño desde el primer croquis.

Pendiente. Un cuerpo colocado sobre terreno empinado tiende a deslizar por el contacto. Cuanto mayor es la pendiente del apoyo, menor es la altura que se puede construir con seguridad, y el terreno que supera un límite propio de cada emplazamiento es mejor dejarlo fuera de la huella que contarlo como capacidad.

Materiales. La tierra vegetal, las capas orgánicas y los suelos blandos o húmedos forman una base débil. La tierra vegetal se retira en todo caso antes de verter, porque es el material que el botadero cerrado necesitará en su superficie.

Agua. Un botadero que entierra una línea de drenaje sin un dren de roca proyectado o un canal de desvío embalsa agua en su lado de aguas arriba y satura su propio pie. El agua superficial se conduce alrededor de la huella, y la coronación del botadero se nivela para que la lluvia no vierta por la cresta.

Las guías publicadas tratan todo ello en conjunto. Las Guidelines for Mine Waste Dump and Stockpile Design incluyen un sistema de valoración de la estabilidad y clasificación del riesgo que pondera factores como las condiciones de cimentación, la calidad del material, la geometría y el método de construcción, y que vincula el nivel de investigación y de análisis a la clase de riesgo resultante.

La plataforma superior es un lugar de trabajo. Tiene que ser lo bastante ancha para que el camión más grande gire y retroceda y para que una topadora trabaje el borde; un botadero cuyos taludes se cierran en una cresta estrecha tiene sobre el papel una capacidad a la que ningún camión llega.

El borde es donde ocurren los accidentes. El material próximo al borde está suelto y puede no soportar un camión cargado. La normativa de Estados Unidos exige bermas, topes, ganchos de seguridad o dispositivos similares en los puntos de vertido donde exista riesgo de sobrepasar el borde o de vuelco (30 CFR 56.9301). El manual de inspección de la MSHA añade las prácticas de trabajo: dar pendiente a la plataforma de vertido para que los camiones retrocedan cuesta arriba al descargar, descargar antes del borde y empujar la carga cuando el borde esté agrietado, asentado o socavado, y cerrar el acceso a la parte superior siempre que se cargue material desde el pie.

Una plataforma que sube hacia la cresta cumple una segunda función: la lluvia escurre hacia atrás por la plataforma hasta una salida controlada, en lugar de verter por la cara y abrir cárcavas.

Una grieta o una franja asentada cerca de la cresta es una señal de aviso, no un defecto estético. Taparla no la hace estable.

Un diseño de botadero está listo para construirse cuando una lista corta de preguntas tiene números al lado.

¿Está el ángulo global dentro del límite fijado para el botadero y para la forma final de cierre? ¿Tiene cada berma al menos el ancho que necesita la maquinaria que trabajará en ella? ¿Es la plataforma superior lo bastante ancha para que gire un camión a la cota final?

¿Qué parte de la huella queda sobre terreno más empinado que el límite de cimentación, y se ha descontado esa superficie de la capacidad? ¿Cuánta tierra vegetal hay que retirar y dónde se acopiará?

¿Cubre la capacidad, convertida a volumen en banco con un esponjamiento medido, el estéril del plan minero con margen? ¿Guarda el pie las distancias exigidas a la cresta de la corta, al límite del permiso, a los cauces y a las infraestructuras?

Nada de esto es un análisis de estabilidad. Los factores de seguridad del botadero y de su cimentación salen de un estudio geotécnico con resistencias y condiciones de agua propias del emplazamiento. Los controles geométricos le dicen si el diseño que va a analizar es el que pretendía dibujar.

El módulo de explanación de STREAM tiene un modo de vertido. Dibuje el contorno del pie sobre el terreno levantado y elija el sentido Arriba + hacia dentro: el cuerpo se levanta desde el terreno existente hacia el interior y las pestañas del panel pasan a términos de botadero, como Plantilla de vertedero, Emplazamiento, Capacidad y Controles.

La plantilla toma la altura de nivel, el ancho de berma y el ángulo de la cara, y usted elige cuál de los tres se deriva de los otros dos. En la pestaña Emplazamiento se fija la Cota superior a la que se corta el cuerpo y un Límite de pendiente de base: se informa de la parte del emplazamiento más empinada que ese límite, porque el cuerpo no se asentará allí.

La capacidad se lee contra el terreno: el volumen suelto del cuerpo, la excavación in situ que lo llenaría con la compactación que usted introduzca, el tonelaje, el relleno más alto, la superficie del cuerpo y el perímetro del pie. Una lista de niveles, de arriba abajo, da el intervalo de cotas, el volumen y el volumen acumulado de cada uno.

La pestaña Controles señala el ángulo global frente a su límite, una berma más estrecha que su mínimo, una plataforma superior demasiado estrecha para que gire un camión y la parte del emplazamiento que supera el límite de pendiente de base, cada uno con su valor y su límite, e informa de la tierra vegetal que hay que retirar bajo el cuerpo. Después el diseño puede escribirse en el terreno de trabajo, con planos a DXF, tablas de mediciones a Excel y el informe a PDF.

Comprueba la geometría, no la estabilidad: no se calcula ningún factor de seguridad, y los límites que introduce proceden de su propio estudio geotécnico. Todo se ejecuta en su equipo; no se sube ningún levantamiento.