DISEÑO Y OPERACIÓN DE STOCKPILES

EN OPERACIONES MINERAS

Francisco Cabrejos

Jenike and Johanson Chile S.A.

INTRODUCCIÓN

A modo de ejemplo, en Chile actualmente más de un millón de toneladas de

minerales son explotadas, chancadas, clasificadas y transportadas cada día del

año para producir cerca de un tercio del abastecimiento mundial de cobre fino.

La escala de estas operaciones mineras es enorme, como también lo son sus

costos asociados. Para producir cobre a partir de minerales con leyes desde

0.6 hasta 1.5%, el correcto diseño de los sistemas de manejo y

almacenamiento de materiales a granel es de vital importancia.

El acopio de minerales a granel en pilas (o stockpiles) provee una forma muy

económica y segura de almacenamiento para grandes cantidades de minerales

chancados ya sea gruesos y/o finos. La capacidad de almacenamiento puede

alcanzar hasta varios cientos de miles de toneladas, como por ejemplo en

algunas plantas de la gran minería.

Minerales de diferente tamaño y granulometría se pueden almacenar en

stockpiles. Por ejemplo, minerales sulfurados gruesos, de hasta 10” y 12”

(-300 mm) provenientes del chancado primario, y que luego se alimentan a

clasificadores, harneros (cribas), chancadores secundarios y/o molinos SAG.

Por otro lado, minerales oxidados finos, bajo 3/8” y 1/2” (-12 mm) alimentan a

tambores de aglomeración para luego ser apilados y lixiviados.

El principal objetivo de los stockpiles es proveer una capacidad pulmón entre la

mina y la planta de chancado, y asegurar un flujo de alimentación continuo,

uniforme y controlado a los equipos aguas-abajo. En algunos casos, como en

nuestra Cordillera de Los Andes, debido a la gran altitud y/o condiciones

climáticas extremas, la mina opera sólo durante el día mientras que la planta,

ubicada a menor altitud opera en forma continua las 24 horas del día.

Los stockpiles se pueden formar con equipo móvil (cargadores frontales) o

mediante correas transportadoras elevadas como apiladores, ‘shuttles’ o

‘trippers’. La extracción del mineral almacenado se puede lograr desde la

superficie de la pila mediante roto-palas o ‘scrapers’, o por gravedad a través

de varios alimentadores o descargas ubicadas en un túnel bajo la misma pila.

Uno de los métodos más usados en la extracción del mineral almacenado en

un stockpile es mediante varios alimentadores o descargas ubicados en uno o

más túneles de hormigón bajo la pila, y que descargan sobre una correa

transportadora común. El número, tipo, y ubicación de estos alimentadores, ya

sea en línea o en forma perpendicular a esta correa, dependerá en gran

medida del tipo de stockpile, de la capacidad total y viva requerida, del flujo de

material requerido, de las propiedades de flujo del mineral manejado, y de la

tendencia a segregarse del material.

Stockpiles pueden ser parcial o completamente cubiertos, o bien abiertos a la

intemperie, dependiendo de las condiciones climáticas imperantes en el lugar, y

considerando el impacto ambiental que pudiera ocasionar la generación de

polvo. El problema de congelamiento es importante de considerar sólo en

aquellos lugares donde nieva, o cuando la temperatura baja a 0°C ó menos por

períodos prolongados.

Aunque la tecnología para el diseño óptimo y eficiente de stockpiles ha estado

disponible por más de 30 años, aún es posible observar diversos problemas de

obstrucción de flujo tales como la formación de arcos y/o ratholes sobre las

aberturas de descarga, una limitada capacidad viva de almacenamiento,

segregación del mineral, generación de polvo, baja eficiencia, elevados costos

de producción y mantención, e incluso sistemas completamente inoperativos

debido a que no se consideraron oportunamente las propiedades de fluidez del

material manejado. El conocimiento y la aplicación efectiva de los ensayos de

laboratorio propuestos originalmente por Andrew Jenike [1] en los años sesenta

permiten diseñar y dimensionar adecuadamente estos sistemas y equipos de

almacenamiento de materiales sólidos a granel para evitar problemas de flujo

en nuevas instalaciones, para eliminar dichos problemas en instalaciones

existentes y/o al menos minimizar sus consecuencias para la planta.

A continuación se describe que es un stockpile, los tipos de stockpiles más

usados en la minería y sus alimentadores, posibles problemas de flujo y sus

consecuencias, tipos de flujo, y los principios básicos que gobiernan el diseño

de stockpiles.

¿Qué es un stockpile? A diferencia de los silos, los stockpiles no tienen

paredes verticales y el material se acopia y sustenta sobre sí mismo, formando

un ángulo de reposo (αR). En general, para minerales chancados relativamente

secos y de buena fluidez el ángulo de reposo varía desde 35° a 40°, medido

desde la horizontal, y dependiendo del contenido de humedad del material y de

su contenido de finos, como se define en la Figura 1.

Los dos tipos de stockpiles más usados en la minería son: cónico y tipo A,

como se muestra esquemáticamente en la Figura 1. El stockpile cónico se

forma al descargar material por gravedad desde un punto fijo, y su máximo

volumen de almacenamiento está dado por la altura máxima de la pila y el

ángulo de reposo que forma el material al ser apilado. El stockpile tipo A se

forma al descargar material por gravedad mediante una correa móvil y/o

reversible, o mediante un “burro” o tripper. En este caso, el volumen máximo

de almacenamiento depende de la altura máxima de la pila, del ángulo de

reposo del material y de la carrera o distancia entre los dos puntos extremos de

descarga del material.

Cabe destacar que otros tipos de stockpiles existen pero no se consideran en

el presente trabajo. Estas geometrías suelen usarse en plantas y/o bodegas

que manejan y almacenan a granel grandes cantidades de materiales tales

como concentrado de cobre húmedo, carbón, clinker, cal, bauxita, etc.

Figura 1: Principales tipos de stockpiles usados en la minería.

Alimentadores Los alimentadores juegan un rol muy importante en el adecuado

funcionamiento y operación de los stockpiles. Estos se instalan bajo las tolvas

de descarga y se utilizan para recuperar por gravedad el material almacenado

a granel en la pila. Los alimentadores permiten además controlar y regular el

flujo de alimentación del material a un proceso aguas-abajo como son molinos

y/o tambores de aglomeración. El objetivo principal en el diseño eficiente de

alimentadores es obtener una descarga uniforme de material a lo largo de toda

la abertura de descarga de la tolva. Además, se debe minimizar la pérdida o

caída de material al suelo, y minimizar las cargas sobre el alimentador, lo cual

a su vez minimiza el consumo de energía y el desgaste de las partículas, entre

otros.

Los dos tipos de alimentadores más comúnmente usados para la extracción y

descarga de minerales chancados almacenados en stockpiles son los

alimentadores de correa (ver Figura 2) y los alimentadores de bandeja

vibratorios (ver Figura 3). Estos equipos extraen el mineral del stockpile por

gravedad y lo descargan a una correa transportadora común ubicada debajo de

ellos y en un túnel bajo la pila. El número, tipo, y ubicación de estos

alimentadores dependerá en gran medida del tipo de stockpile, de la capacidad

total y viva requerida, del flujo de material requerido, de las propiedades de

flujo del mineral manejado, y de la tendencia a segregarse del material, como

se verá más adelante.

Otros sistemas de extracción comunes en la minería incluyen: “sombrero

mexicano” con un tubo vertical de descarga sobre la correa (ver Figura 3), y

una serie de compuertas de guillotina y/o de barras, los cuales permiten

descargar en forma no-controlada un stockpile y/o cortar completamente el flujo

de material. Este tipo de equipos corresponde más bien a descargadores y no

se clasifican como alimentadores propiamente dichos.

Figura 2: Alimentador de correa.

Figura 3: Alimentador de bandeja vibratorio y tubo de descarga tipo

“sombrero mexicano”.

PROBLEMAS DE FLUJO

Los materiales a granel pueden adquirir o no resistencia cohesiva cuando se

almacenan en stockpiles, dependiendo de la combinación de una serie de

factores tales como: altura de la pila (presión de consolidación), porcentaje y

tamaño de finos en el mineral, contenido de humedad, forma de las partículas,

tiempo de almacenamiento en reposo bajo presión, presencia de arcillas o

polvos, naturaleza química del material, temperatura, y condiciones climáticas.

Desde el punto de vista del manejo de sólidos a granel, diferentes problemas

de flujo pueden ocurrir dependiendo de la geometría y ubicación de las tolvas

de descarga del stockpile, de las dimensiones de las aberturas de descarga y

del tipo de flujo que el material desarrolle al fluir en el stockpile.

Quizás el peor de los problemas de flujo que un operador deba enfrentar en

una planta es el de ‘obstrucción de flujo’. Al abrir la compuerta de descarga o

accionar el alimentador, una pequeña cantidad del material almacenado en el

stockpile sale por la abertura y luego se detiene el flujo debido a la formación

de una obstrucción sobre la abertura de descarga. Existen dos causas para

este problema: la formación de un’arco’ o de un ‘rathole’, como se muestra en

la Figura 4.

Figura 4: Problemas de formación de arcos y ratholes.

En el caso de ‘formación de arco’, partículas grandes en relación a la abertura

de descarga de una tolva pueden producir un arco por entrelazado o

‘interlocking’ al trabarse éstas entre sí, deteniendo el flujo de descarga. Como

regla general y para evitar un arco por entrelazado, el ancho BP de la abertura

de descarga de una tolva tipo cuña debe ser a lo menos 3 a 4 veces el tamaño

máximo de partícula. Por otro lado, partículas finas y húmedas pueden producir

un ‘arco cohesivo’ en la boca de la abertura de descarga de la tolva, que

también puede llegar a detener completamente el flujo de descarga.

En el caso de ‘formación de rathole’, el material forma un tubo hueco o agujero

cilíndrico vertical en la masa del material almacenado en un stockpile, el cual

puede ser estable o inestable. Ratholes estables detienen completamente el

flujo de descarga. Es muy difícil desestabilizar un rathole por medios externos

tales como lanzas, sonido o vibraciones. Ratholes inestables generan un

problema adicional de ‘flujo errático’ y no-controlado de material. En este caso,

al abrir la compuerta de descarga o accionar el alimentador, una pequeña

cantidad del material almacenado en la pila sale por la abertura y luego se

detiene el flujo debido a la formación de un rathole. Vibraciones externas hacen

que el material que rodea el rathole se vuelva inestable y colapse dentro del

espacio vacío, llenándolo rápidamente y de golpe. Entretanto, algo del material

se descarga y se puede o no formar un arco sobre la abertura de descarga

debido a la alta consolidación por impacto del material al caer. Si no se forma

un arco, más material se descargará hasta que se forme nuevamente un

rathole y así sucesivamente.

Otro problema de flujo típico en stockpiles es el de ‘flujo limitado’. Al descargar

el material a través de la abertura de descarga, el flujo puede ser mucho menor

que lo esperado, ya sea por limitada velocidad y/o torque de la correa, o por

excesiva carga sobre el alimentador.

El problema de ‘degradación’ está presente si el material a almacenar tiene

alguna tendencia a oxidarse, cristalizarse, reaccionar con la humedad o

temperatura, descomponerse con el tiempo, etc. En general, no es el caso con

los minerales chancados manejados en la minería.

El problema de ‘generación de polvo’ es un problema de contaminación

ambiental que se debe controlar mediante un adecuado método de captación

de polvo, manejo y reinyección al proceso del material fino. También es posible

cubrir los stockpiles para evitar el arrastre producido por el viento (lo cual a su

vez soluciona en parte el problema de congelamiento, lluvia y nieve).

Problemas de ‘segregación’ ocurren al manejar materiales con una variada y

amplia distribución de tamaño de partículas [2]. Al descargar este tipo de

materiales desde un punto elevado, las partículas finas tienden a concentrarse

directamente bajo el punto de descarga mientras que las partículas más

gruesas tienden a rodar hacia el exterior o periferia, con lo cual se segrega y

separa parcialmente el material por tamaño de partícula (ver Figura 5). La

diferenciación entre material fino, el cual puede ser cohesivo, y material grueso,

el cual es generalmente de fácil escurrimiento y alta fluidez, es difícil de

precisar. Por ejemplo, la pila puede ser descargada parcialmente y vuelta a

llenar, o el porcentaje de finos en el mineral puede variar al desgastarse las

paredes del chancador, o el tipo de mineral explotado puede cambiar, etc.

Como resultado de la segregación, la presencia de 10% de finos o más en el

mineral puede causar severos problemas de flujo en stockpiles. Además, este

problema puede causar graves trastornos en una planta, y pérdida de eficiencia

en procesos de molienda y de aglomeración de minerales.

Figura 5: Fenómeno de segregación en un stockpile.

El resultado de los problemas de flujo descritos anteriormente puede generar

una o más de las siguientes consecuencias para la planta o proceso:

• Capacidad de almacenamiento reducida

• Descomposición y/o pérdida del material

• Vibraciones y/o falla estructural

• Operación deficiente

• Consumo excesivo de energía

Finalmente, es importante mencionar que estos problemas de flujo con

materiales a granel ocurren cuando el diseño del stockpile y su respectivo

sistema de extracción no es el adecuado dada las propiedades de flujo del

material a manejar. Todos estos problemas se pueden eliminar o minimizar en

plantas existentes, y prevenir completamente durante la etapa de diseño de

nuevas instalaciones. Hoy en día existe la tecnología para evitar las

consecuencias mencionadas. Andrew Jenike y sus colaboradores desarrollaron

una teoría de flujo de sólidos a granel en la década de los 60’s y que hoy es

mundialmente aceptada.[1] Este método se basa en la determinación de las

propiedades de fluidez de los materiales y permite asegurar el correcto

dimensionamiento de silos y stockpiles para lograr el almacenamiento, flujo y

descarga confiables de materiales a granel.

TIPOS DE FLUJO

El tipo de flujo que un material a granel desarrolla al ser descargado de un

stockpile está dado por la geometría de la pila y por las características del

material, principalmente sus propiedades de fricción interna y de fricción de

pared. Desde el punto de vista del flujo de sólidos a granel, el flujo desarrollado

en un stockpile corresponde a ‘flujo expandido’ si las tolvas de descarga

operan con flujo másico y si las aberturas de descarga son completamente

efectivas. Flujo expandido es una combinación de los dos tipos básicos de flujo

de sólidos a granel en el cual la parte inferior del stockpile opera en flujo

másico (i.e. las tolvas de descarga) y la parte superior en flujo embudo. En este

caso las tolvas deben expandir el canal de flujo a una dimensión mayor que el

diámetro crítico de rathole (DF), eliminando así la formación de ratholes en el

stockpile. Varias tolvas de flujo másico pueden ser instaladas lo

suficientemente cerca unas de otras, de manera de combinar los respectivos

canales individuales de flujo y evitar la formación de ratholes en la pila.

Flujo másico Este tipo de flujo ocurre cuando las paredes de la tolva son lo

suficientemente inclinadas y suaves para forzar al material a deslizar sobre

ellas. En una tolva de flujo másico, todo el material almacenado está en

movimiento y fluyendo hacia la abertura de descarga cuando se abre la

compuerta de descarga o se acciona la correa del alimentador. Es

imprescindible que la abertura de descarga sea completamente efectiva.

Tres consideraciones importantes en el diseño de tolvas de flujo másico son: la

rugosidad e inclinación de las paredes de la tolva necesarias para forzar al

material a deslizar sobre ellas, el tamaño de la abertura necesario para prevenir

la formación de arcos (por entrelazado y/o cohesivo), y además alcanzar el flujo

de material deseado. Estos parámetros pueden ser determinados mediante

ensayos de laboratorio a una muestra representativa del material y bajo

condiciones similares a las que es y/o será sometido el material en la planta,

como se explicó anteriormente.

Flujo embudo Este tipo de flujo ocurre en stockpiles, silos de fondo plano y/o

tolvas cuando sus paredes no son lo suficientemente inclinadas ni suaves para

forzar al material a deslizar sobre ellas, o cuando la abertura de descarga no es

completamente efectiva. En este caso, el material fluye hacia la abertura de

descarga a través de un canal de flujo que se forma dentro de material

estacionario. Con materiales cohesivos y cuando la abertura de descarga es

completamente efectiva, este canal de flujo es casi vertical y de diámetro

similar al diámetro de la abertura de descarga en el caso de tolvas cónicas, o a

la diagonal en caso de tolvas con aberturas cuadradas o rectangulares.

Además, este canal de flujo será estable si su diámetro es menor que el

diámetro crítico de rathole. Con materiales de alta fluidez y cuando la abertura

de descarga es completamente efectiva, el canal de flujo se expande en forma

cónica y con un ángulo que depende del ángulo de fricción interna del material.

Como se mencionó anteriormente, lo materiales a granel pueden adquirir o no

resistencia cohesiva cuando se almacenan en stockpiles dependiendo de la

combinación de una serie de factores, e influyendo además en el tipo de flujo

que el material desarrollará al ser descargado de la pila. Dentro de estos

factores se cuentan la geometría y la altura de la pila (presión de consolidación

en la base de la pila), porcentaje y tamaño de finos del material, contenido de

humedad, tiempo de almacenamiento en reposo bajo presión, presencia de

arcillas o polvos, naturaleza química del material, etc.

Materiales de alta fluidez Minerales de tamaño relativamente grueso, con un

bajo porcentaje de finos y bajo contenido de humedad, poseen en general una

baja resistencia cohesiva, y presentan un fácil escurrimiento libre por gravedad

o alta fluidez (free-flowing). Estos materiales tienen una baja tendencia a formar

arcos cohesivos y ratholes si se almacenan en stockpiles.

Al descargar materiales no-cohesivos y de alta fluidez de una pila con una

abertura en el centro de la base de esta, el material fluye hacia la abertura de

descarga a través de un canal de flujo que se forma dentro del material

estacionario. Este canal de flujo puede ser vertical y/o de forma cónica, con un

ángulo que depende del ángulo de fricción interna del material. Material de la

superficie se desprende y desliza dentro de este canal de flujo, como se

muestra en la Figura 6. Al bajar el nivel del material se forma un cono invertido

en la parte superior de la pila. Finalmente la extracción de material cesa

formando un cono truncado invertido o cráter dentro del material estacionario o

“muerto”. Para materiales de alta fluidez, el ángulo de vaciado de este cráter

(αV) es aproximadamente 2° a 5° mayor que el ángulo de reposo del material.

Para materiales levemente cohesivos, el ángulo final de vaciado (αV) aumenta

según las propiedades de fricción interna del material y la presión de

consolidación, y puede llegar hasta 70° y 80°, medido de la horizontal.

Para la extracción y descarga de materiales no-cohesivos y de alta fluidez sólo

se requiere de algunos alimentadores o descargadores de tamaño

relativamente pequeño, y distanciados entre sí para maximizar la capacidad

viva de almacenamiento en la pila. La abertura de descarga de estos

alimentadores debe ser completamente efectiva y diseñada para prevenir la

formación de arcos por entrelazado de partículas.

Materiales cohesivos Minerales de tamaño relativamente pequeño, o con un

alto porcentaje de finos y un elevado contenido de humedad, poseen en

general una alta resistencia cohesiva y por ende una mala fluidez y bajo

escurrimiento libre por gravedad. Estos materiales tienen una moderada

tendencia a formar arcos cohesivos y una alta tendencia a formar ratholes si se

almacenan en stockpiles y tolvas de flujo embudo, lo cual puede generar flujo

errático de material y pérdida de capacidad viva de almacenamiento.

Al descargar materiales cohesivos y de baja fluidez de una pila con una

abertura en el centro de la base de esta, el material fluye hacia la abertura de

descarga a través de un canal de flujo que se forma dentro de material

estacionario. En este caso, el canal de flujo suele ser casi vertical y el material

de la superficie no se desprende ni desliza dentro de este canal de flujo, como

se ilustra en la Figura 6. Al vaciarse el canal de flujo se pueden distinguir

claramente tres zonas: directamente sobre la abertura de descarga el canal se

expande hasta alcanzar una sección circular de diámetro (DR) ; en la segunda

zona el material forma un rathole dentro de material estacionario o “muerto” y

hasta cierta altura (HR); y en la tercera zona superior el material forma un cono

truncado invertido o cráter.

Figura 6: Representación del flujo de descarga de material almacenado en

una pila cónica con una tolva de descarga central.

Para la extracción y descarga de materiales cohesivos y de baja fluidez se

deben emplear varios alimentadores de tamaño relativamente grande en

comparación con alimentadores para materiales no-cohesivos y de alta fluidez,

los cuales deben estar ubicados relativamente cerca entre sí para evitar

problemas de flujo y maximizar la capacidad viva de almacenamiento en la

pila. La abertura de descarga de estos alimentadores debe ser completamente

efectiva y diseñada para prevenir no sólo la formación de arcos por entrelazado

de partículas grandes sino que también para prevenir la formación de arcos

cohesivos y ratholes.

CAPACIDAD DE ALMACENAMIENTO

Es importante distinguir ente la capacidad total y la capacidad viva de

almacenamiento en un stockpile. La capacidad total de almacenamiento se

determina multiplicando el volumen máximo de almacenamiento (ver Figura 1)

por la densidad aparente promedio del material, dado en t/m3. En el caso de

materiales compresibles, además se debe conocer la relación entre la densidad

aparente del material en función de la presión de consolidación (o altura de la

pila) para poder integrar todo el volumen. [3]

Uno de los principales objetivos en el diseño de stockpiles es maximizar la

capacidad viva de almacenamiento en la pila, evitando la formación de

ratholes. Por ejemplo, la capacidad de almacenamiento viva en un stockpile

que maneja un mineral de alta fluidez es claramente superior que si el mineral

manejado es cohesivo (ver Figura 6). Para esto se necesita de un método

adecuado de cálculo para determinar el volumen vivo y que además considere

todas las variables involucradas, principalmente la geometría y las propiedades

de fluidez del mineral manejado.

Diámetro crítico de rathole El diámetro crítico de rathole (DF) depende de la

cohesión interna del material manejado, la cual se ve afectada en gran medida

por el contenido de humedad y el porcentaje de finos del material, por el tiempo

de almacenamiento en reposo y por la presión de consolidación. Jenike [1]

propuso una correlación empírica para determinar el diámetro crítico de rathole

mediante ensayos de laboratorio a una muestra representativa de mineral, y en

función de la presión de consolidación, el ángulo de fricción interna, la

resistencia cohesiva y la densidad aparente del material. A mayor altura de la

pila, mayores deben ser las dimensiones de la tolva de descarga (en la base de

la pila) para expandir el canal de flujo a una dimensión mayor que el diámetro

crítico de rathole, eliminando así la formación de ratholes en el stockpile. Otra

alternativa es instalar varias tolvas de flujo másico lo suficientemente cerca

unas de otras, de manera que los respectivos canales de flujo individuales

interactúen entre sí, formando un solo canal de flujo cuyo diámetro “combinado”

exceda al diámetro crítico de rathole.

Jenike & Johanson realizó una serie de experimentos con modelos a escala de

una variedad de stockpiles para medir la capacidad viva obtenida con

diferentes materiales no-cohesivos y cohesivos.[4] El objetivo de estos ensayos

fue desarrollar un programa computacional para modelar y calcular la

capacidad viva que se logra en un stockpile al manejar minerales chancados

gruesos y/o finos. Este programa incorpora las propiedades de fluidez del

mineral manejado previamente determinadas en nuestro laboratorio, y datos

tales como la geometría y altura máxima de la pila, número, tamaño y ubicación

de las tolvas de descarga, ángulo final de vaciado (αV) y de reposo del material

(αR). El programa permite además determinar la ubicación óptima de las tolvas

de descarga para maximizar la capacidad viva de una pila, una vez conocidas

las otras variables.

La Figura 7 muestra el efecto que el ángulo de vaciado tiene sobre la

capacidad viva de almacenamiento en una pila cónica con una tolva de

descarga de abertura rectangular ubicada en el centro de la base de la pila. La

capacidad viva se entrega como porcentaje de la capacidad total de

almacenamiento en la pila. Para los cálculos se asumió un ángulo de reposo

αR=35°, medido desde la horizontal. Claramente se puede observar que a

mayor resistencia cohesiva del material almacenado, y por ende mayor ángulo

de vaciado, menor será la capacidad viva de almacenamiento en el stockpile.

La máxima capacidad viva se obtiene para el caso en que el ángulo de vaciado

es igual al ángulo de reposo (35°) y es del orden del 30% de la capacidad total.

Para un ángulo de vaciado de 50°, la capacidad viva disminuye a 20%, y para

ángulos de vaciado superiores a 80° la capacidad viva es inferior al 5%.

Figura 7: Efecto del ángulo de vaciado sobre la capacidad viva de

almacenamiento para un stockpile cónico con una tolva de descarga central

(αR=35°)

Otro caso de interés se muestra en la Figura 8 para una pila cónica con dos

tolvas de descarga de abertura rectangular de ancho B, dispuestas en línea y

equidistantes del centro de la pila. La capacidad viva se entrega como

porcentaje de la capacidad total de la pila, y en función de la separación entre

las tolvas de descarga. Para los cálculos se asumió un ángulo de reposo

αR=35°, medido desde la horizontal, y diferentes ángulos de vaciado (αV).

Se puede ver que existe una posición óptima para ubicar las tolvas de

descarga de manera de maximizar la capacidad viva de almacenamiento en la

pila. Esta ubicación depende de la separación entre ambas tolvas de descarga

(distancia entre centros de ambas tolvas, S), de los ángulos de reposo y de

vaciado del material almacenado, de la forma y de las dimensiones generales

de la pila y de las aberturas de descarga de las tolvas en la base de la pila.

Para el caso de αR=35° y αV=40°, la separación óptima entre ambas tolvas es

5B y la capacidad viva obtenida alcanza 35%. Pero al aumentar el ángulo de

vaciado se deben acercar las tolvas para maximizar la capacidad viva de la

pila. Para αV=60°, la separación óptima entre ambas tolvas disminuye a 4B y la

capacidad viva obtenida es apenas 20%.

Figura 8: Capacidad viva de almacenamiento para un stockpile cónico con

dos tolvas de descarga separadas entre sí una distancia S (αR=35°)

Formación de ratholes Si la diagonal de las aberturas de descarga de las

tolvas en la base de la pila no exceden el diámetro crítico de rathole (DF), o si

las tolvas de descarga no están lo suficientemente cerca para combinar los

respectivos canales de flujo individuales, entonces es muy factible que se

formen ratholes en la pila, disminuyendo drásticamente la capacidad viva de

almacenamiento. Para estimar la capacidad viva de almacenamiento en una

pila en la cual se han formado uno o más ratholes se debe conocer además el

diámetro crítico de rathole en función de la altura efectiva y el ángulo de talud

de los ratholes (generalmente entre 85° y 90°).

RECOMENDACIONES Y CONCLUSIONES

Quizás el principal objetivo que se desea alcanzar al diseñar un stockpile es

lograr la capacidad total de almacenamiento y maximizar la capacidad viva de

la pila para un número razonable de tolvas de descarga y alimentadores.

Además, se deben prevenir los problemas de flujo (formación de arcos,

ratholes, flujo errático, flujo limitado, etc.), lograr los flujos de material

requeridos, minimizar la segregación y degradación del material, minimizar la

contaminación y generación de polvo, y evitar el uso de bulldozers sobre la pila.

El primer paso para el correcto dimensionamiento de un stockpile y su

respectivo sistema de extracción de material, es determinar las propiedades de

fluidez del mineral manejado bajo condiciones similares a las que es o será

sometido el material en la mina/planta una vez que entre en funcionamiento el

proyecto.[5]

Se recomienda realizar ensayos de fluidez a varias muestras representativas

del mineral, las cuales deben ser cuidadosamente seleccionadas para que

representen fielmente las condiciones que se encontrarán en la mina durante

su vida útil. Por ejemplo, para simular el tiempo de almacenamiento en reposo

en la pila, se deben realizar ensayos de tiempo después de 24 y 48 horas de

acondicionamiento bajo presión (o más según el proyecto). Adicionalmente,

ensayos de fluidez se deben realizar ajustando el contenido de humedad del

material para determinar cuan sensible es a una variación en su contenido de

agua, y para un rango de temperaturas de acuerdo a las condiciones climáticas

imperantes en la zona.

Los resultados de estos ensayos de laboratorio son imprescindibles y proveen

la información esencial para el correcto diseño y dimensionamiento de un

stockpile y su respectivo sistema de extracción de material, tales como:

ü recomendaciones generales para prevenir problemas de flujo, incluyendo

dimensiones mínimas para las aberturas de descarga

ü geometría del stockpile, incluyendo ubicación, número y tipo de tolvas de

descarga y sus alimentadores

ü selección del tipo más adecuado de alimentadores y su dimensionamiento

ü cálculo de la capacidad viva y total de almacenamiento en la pila

ü cálculo de la presión normal sobre las paredes de las tolvas de descarga y

los alimentadores

Aunque la tecnología para el diseño óptimo de stockpiles ha estado disponible

por más de 30 años, aún es común ver diversos problemas de flujo en

instalaciones existentes. Mediante la comprensión de los mecanismos

involucrados en el flujo de sólidos a granel, los diversos tipos de flujo que

ocurren en un stockpile, y la determinación de las propiedades de fluidez de los

materiales a ser manejados, es posible eliminar o reducir estos problemas de

flujo en plantas existentes, y prevenir estos problemas en la etapa de diseño de

nuevas instalaciones.

REFERENCIAS

[1] Jenike A., “Storage and Flow of Solids”, Bulletin No. 123 of the Utah

Engineering Experiment Station, University of Utah, 1964.

[2] Carson J., Royal T. y Goodwill D., “Understanding and Eliminating Particle

Segregation Problems”, Bulk Solids Handling, Vol. 6, No. 1, 1986, pp. 139-

144.

[3] Cabrejos F. “Total Storage Capacity of Stockpiles Handling Compressible

Materials”, Bulk Solids Handling, Vol. 20, No.4, 2000, pp. 421-427.

[4] Cabrejos F. y Goodwill D., “Tunnel Reclaim from Ore Stockpiles”, Bulk

Solids Handling, Vol. 16, No. 3, 1996, pp. 393-400.

[5] Cabrejos F. “Propiedades de Fluidez de los Materiales Sólidos a Granel”,

presentado en el XI Congreso Nacional de Metalurgia y Materiales

CONAMET 2000, La Serena, Chile, 9 al 11 de Agosto de 2000.