Modelación física de la dilución lateral en hundimiento por bloques

Abstract

La presente memoria tiene como objetivo principal estudiar el fenómeno de la dilución lateral en el método de hundimiento por bloques, mediante una simulación física en un equipo especialmente diseñado para representar, a escala 1:150, las condiciones reales de extracción en minería subterránea. El hundimiento por bloques, ampliamente utilizado para la explotación de yacimientos de gran escala, presenta múltiples ventajas en términos de eficiencia operativa, sin embargo, uno de sus principales desafíos es la dilución, entendida como la mezcla involuntaria de material estéril con el mineral útil. Esta situación disminuye la ley del mineral extraído y, en consecuencia, afecta la rentabilidad y sostenibilidad de la operación. Para abordar este problema, se desarrollaron dos experimentos replicables en un entorno controlado. El equipo experimental utilizó una combinación de gravilla (representando el mineral) y arena (representando el material estéril), distribuidos en capas horizontales, acompañados por una matriz de 69 marcadores por nivel dispuestos en 15 pisos. Estos marcadores fueron clave para monitorear con alta resolución espacial la trayectoria del flujo del material durante cada ciclo de extracción. A través de un riguroso procesamiento de datos, se cuantificó la aparición de los distintos tipos de marcadores y se calculó la dilución por ciclo y de forma acumulada, correlacionándola con el porcentaje de mineral extraído y los patrones de comportamiento del flujo. El análisis reveló un comportamiento no lineal de la dilución acumulada en función del mineral extraído, con tres zonas claramente diferenciables: una inicial de bajo impacto, una intermedia donde la dilución se incrementa rápidamente por la incorporación de material lateral, y una final con alto contenido de sobrecarga. La curva ajustada obtenida permitió segmentar el proceso en cuatro zonas funcionales, asociadas a la aparición progresiva de marcadores de frontera, laterales y de sobrecarga, estableciendo una relación directa entre la geometría del flujo y los niveles de dilución.Las visualizaciones tridimensionales en MATLAB permitieron representar gráficamente las trayectorias de los marcadores, zonas de acumulación, y áreas de baja recuperación, aportando una comprensión visual complementaria al análisis numérico. Se concluye que la modelación física es una herramienta válida y eficaz para comprender los mecanismos de dilución en métodos de hundimiento por bloques, proporcionando criterios técnicos valiosos para el diseño de estrategias de control y planificación en minería subterránea, con miras a reducir el ingreso de material estéril y mejorar la eficiencia global del proceso extractivo. This thesis aims to study the phenomenon of lateral dilution in block caving mining through a physical modeling approach using a custom-designed apparatus that replicates the gravitational flow conditions typical of large-scale underground mining operations. Block caving is a cost-effective and widely used mining method for massive ore bodies; however, one of its major technical challenges is dilution—defined as the unintentional mixing of waste material with valuable ore—which results in reduced ore grade and lower economic returns. To investigate this issue, two controlled experiments were conducted using a vertical simulation column built at 1:150 scale. The experimental setup included layers of gravel (ore) and sand (waste) along with a detailed placement of 69 markers per level over 15 horizontal planes. These markers were used to track the spatial flow of material across multiple extraction cycles. Data collected from marker recovery and weight measurements were processed to calculate per-cycle and cumulative dilution, identifying key stages in the incorporation of waste material and its correlation with the amount of extracted ore. The results demonstrate a non-linear behavior of cumulative dilution relative to the mass of extracted ore, delineating three primary phases: an initial phase with minimal dilution, a middle phase characterized by rapid increase due to lateral incorporation of waste, and a final stage with significant dilution resulting from overhead material (overload). The adjusted dilution curve allowed for the segmentation of the process into four functional zones, each associated with the appearance of specific marker types (boundary, lateral, and overload), revealing critical thresholds in the dilution process. Three-dimensional visualizations developed in MATLAB were instrumental in mapping the trajectory and concentration of markers, identifying zones of inefficiency, and validating the consistency of the extraction pattern. This study concludes that physical modeling provides a powerful and accurate method for analyzing dilution mechanisms in block caving, offering practical insights for operational planning and dilution control in real mining environments. The findings have potential application in the development of monitoring strategies, extraction sequence optimization, and decision-making processes aimed at minimizing waste and maximizing ore recovery.