El valor añadido de la minería subterránea: relleno en pasta

Las prácticas avanzadas de relleno con pasta están ligadas a una mejora de las tasas de producción, a la reducción de costos operativos y apoyan la transformación de la industria minera hacia la sostenibilidad. La implementación de técnicas más eficientes y de menor impacto marca un nuevo horizonte en la gestión sostenible de residuos mineros, pues disminuyen los riesgos ambientales y los costos de almacenamiento, asegurando operaciones mineras más verdes y económicamente viables.

La transición energética y el crecimiento de la población mundial impulsan una mayor demanda de recursos minerales, esenciales para el desarrollo económico global.

La alta demanda de metales críticos conlleva un incremento de la actividad minera y, por ende, un aumento en la generación de residuos (relaves). El análisis realizado por Hatch (2019) estima la producción global de relaves derivados de la extracción de seis materias primas clave: cobre, oro, níquel, hierro, carbón y aluminio, en una ventana temporal de ocho años. El estudio revela que la producción de residuos mineros ha aumentado en promedio un 40% desde 2010 hasta 2018 (figura 1).

Este hecho no responde únicamente al aumento de la demanda en materias primas, sino también al agotamiento progresivo de los depósitos minerales superficiales, factores que impulsan la minería subterránea profunda (e.g., Ghorbani et al., 2023). La disminución de los tenores en las minas a escala global (e.g., Northey, 2014) conlleva que se tenga que procesar una cantidad mucho mayor de roca para obtener la misma cantidad de metal que antes. Se anticipa que esta tendencia persista en el tiempo, como se puede observar en la figura 2, que representa el pasado, presente, y la posible trayectoria futura del cobre, trazada empíricamente (Northey, 2014).

El Estándar Global de Gestión de Relaves para la Industria Minera (GISTM, por sus siglas en inglés) se hace cargo de las crecientes preocupaciones ambientales y objetivos de sostenibilidad en el sector, exigiendo soluciones innovadoras para la gestión efectiva y responsable de los estériles. Las estrategias tradicionales de gestión de relaves no solo representan significativos riesgos ambientales, sino que también incurren en altos costos de almacenamiento. La obligada transición hacia minería subterránea, como respuesta a la creciente demanda de materias primas, al agotamiento de minerales en superficie, y al menor impacto ambiental que representa, obliga a optimizar costes a la empresa minera, ya que los costes operacionales son mayores que a cielo abierto. En materia de gestión de residuos en minería subterránea, la industria está adoptando cada vez más las prácticas de relleno de minas, especialmente los métodos de relleno con pasta, pues suponen una solución de bajo impacto ambiental que es además práctica, segura y económica. 

Como aliado estratégico en el sector de la minería, Sika dispone de una amplia gama de productos diseñados específicamente para reducir la huella de carbono y mejorar la eficiencia operativa en todas las etapas del proceso minero. Sika está presente en numerosos proyectos mineros a nivel mundial, proporcionando soluciones concretas y apoyo técnico en un amplio abanico de aplicaciones, que van desde el sostenimiento de terreno al relleno de cámaras con pasta.

Este trabajo presenta las ventajas de utilizar el relleno en pasta en minas subterráneas como respuesta a la necesaria optimización de procesos y a la gestión responsable de residuos. Los datos reflejan un caso de estudio real de una mina en Hispanoamérica. 

El relleno con pasta cementicia implica el proceso de mezclar residuos mineros con agua y un agente ligante, típicamente cemento, para rellenar los vacíos (cámaras) resultantes de la explotación minera (e.g., Slade, 2010). Esta operación se lleva a cabo en la planta de pasta (figura 3), de las cuales hay dos tipos (e.g., Pornillos, 2009): 

a) planta de pasta por tandas o discontinua, donde partidas de igual cantidad de relaves son premezcladas y descargadas a las bombas individualmente para el relleno de las cámaras; 
b) planta de pasta de flujo continuo, donde los relaves son mezclados conforme se van produciendo, y se bombean bajo tierra de manera ininterrumpida.

Las distintas variables son más difíciles de controlar en las plantas de flujo continuo, y es este tipo de proceso el que corresponde a nuestro caso de estudio.

La técnica de relleno de cámaras cumple con múltiples propósitos: estabiliza las minas subterráneas, permite la extracción de más mineral, reduce el almacenamiento de inertes en superficie y disminuye la huella ambiental de las operaciones mineras (e.g., Kuganathan & Grice, 2007). Sin embargo, el uso de cemento ha sido objeto de escrutinio debido a su proceso de producción, intensivo en carbono (e.g., Khaiyum et al., 2023). Por ello, las compañías mineras buscan formar alianzas estratégicas con empresas que, como Sika, ofrecen apoyo técnico y tecnologías que permiten minimizar la cantidad de ligante (e.g., cemento) utilizado en estas prácticas. 

Sika, líder en proveer químicos especializados en construcción y minería, ofrece soluciones innovadoras que mejoran la sostenibilidad de las operaciones mineras. 

Los diseños de pasta de relleno que incorporan aditivos químicos son muy rentables para la mina, especialmente en términos de ahorro de energía, cemento, tiempo de inactividad y bloqueos de tuberías, así como en costos de mantenimiento de la planta.  

El análisis de los costos operacionales de un proyecto de minería subterránea con planta de relleno (figura 4), refleja que entre el 10% y el 20% de dichos costos se asignan a las actividades de relleno con pasta. De este porcentaje, aproximadamente el 75% del coste corresponde al cemento requerido para implementar esta tecnología.

Fig. 4. Compendio de costes operacionales de una mina subterránea estándar con planta de relleno. Datos obtenidos de Curry et al. (2014) y Deb et al., (2017). Los aditivos Sika permiten optimizar las recetas y disminuir los costes operacionales.

El uso de aditivos en la mezcla de pasta ofrece la posibilidad de ajustar y optimizar variables clave para mejorar el comportamiento del material. Estos aditivos pueden mejorar la tixotropía, consistencia y bombeabilidad de la pasta, reducir el contenido de agua y ligante, aumentar el contenido de sólidos y la resistencia a la compresión, así como reducir los tiempos de fraguado. Esto permite adaptar la mezcla de pasta a los diferentes requisitos de la mina y mejorar su rendimiento.

La figura 5 demuestra el efecto plastificante de los aditivos Sika aplicados a la pasta en estado fresco. La comparación de resultados obtenidos de diversos proyectos a escala global, indica que dosis relativamente bajas (1% al 3% en peso de cemento) de aditivo, impactan significativamente los parámetros mencionados anteriormente, pudiendo reducir en gran medida los costes operacionales, y permitiendo reducciones de cemento que oscilan entre el 20 y el 50%.

Fig. 5. Demonstración del comportamiento de la pasta en estado fresco: misma receta sin aditivo y con aditivo Sika (concentración de un 2% del peso de cemento). El experimento con aditivo (derecha) muestra una plastificación mucho mayor que el experimento sin aditivo (izquierda), lo que permite disminuir la cantidad de agua y de cemento, y aumentar la proporción de sólidos, mejorando la resistencia.

La selección del aditivo idóneo para el proceso de relleno depende de la composición mineralógica de los relaves, del tamaño y de la forma de las partículas (Erismann et al., 2017). Sika realiza un estudio exhaustivo de estos parámetros antes de proponer el aditivo correcto, ya que estos elementos influencian directamente el comportamiento reológico de la pasta y su estabilidad a corto, medio y largo plazo, una vez endurecida. Los residuos de grano fino o aquellos ricos en minerales de estructura laminar suelen requerir mayor cantidad de agua y, por ende, de cemento, en comparación con los relaves con partículas más gruesas y equidimensionales. Además, la reactividad potencial y la capacidad de transformación química de las fases minerales afectan tanto las propiedades en estado húmedo de la pasta como las resistencias mecánicas finales (Erismann et al., 2021). Por lo tanto, es imperativo considerar estos factores durante el proceso de selección del aditivo. 

Este trabajo presenta el resultado de la aplicación de tecnologías Sika al relleno en pasta de las cámaras subterráneas de una mina de oro en Hispanoamérica. La adopción de tecnologías de Sika no solo resulta en prácticas mineras más sostenibles, sino que también ofrece beneficios operacionales sustanciales. 

Fig. 6. Evolución de la resistencia con distintos porcentajes de cemento en muestras sin aditivo tomadas durante pruebas industriales. Para facilitar la comparación posterior con la figura 7, que ilustra la evolución de las resistencias en pruebas realizadas con aditivo, se han añadido líneas discontinuas azules. Estas líneas discontinuas representan las resistencias medias de las muestras sin aditivo con un 12% de cemento (ver punto de intersección en la columna de la derecha) a los 3, 7 y 28 días.

La figura 6 ilustra la evolución de la resistencia a los 3, 7 y 28 días, de muestras sin aditivo tomadas durante pruebas industriales con distintos porcentajes de cemento (líneas azules). Asimismo, la figura 7 ilustra la evolución de la resistencia a los 3, 7 y 28 días, de muestras con aditivo tomadas durante pruebas industriales con distintos porcentajes de cemento (líneas amarillas).

Ambas figuras incluyen además en líneas discontinuas las medias de las resistencias de muestras sin aditivo con porcentajes de 12% de cemento. Los puntos azules de la figura 7 marcan la intersección de la media de resistencias de muestras con 12% de cemento y sin aditivo, con las tendencias de las muestras con aditivo, con el objetivo de demostrar el ahorro de cemento de forma empírica.

Como se observa en la figura, las resistencias de las muestras sin aditivo y con un 12% de cemento a los 3, 7 y 28 días se equiparan a las resistencias con aditivo y con un 9% de cemento. Esto supone un ahorro de un 25% cemento en términos generales, que podrá ser mayor dependiendo de las aplicaciones. 

Además se observa que la resistencia sin aditivo a los 28 días se equipara a la resistencia con aditivo a los 7 días, lo que supone un ahorro temporal de un 66.6%. 
 

Fig. 7. Evolución de la resistencia con distintos porcentajes de cemento de muestras con aditivo Sika (entre un 2 y un 3% en peso de cemento) tomadas durante pruebas industriales (líneas amarillas). Las líneas discontinuas azules marcan las resistencias medias de las muestras sin aditivo con un 12% de cemento a los 3, 7 y 28 días. Los datos demuestran que se obtienen las mismas resistencias (intersección marcada por los círculos azules) utilizando aditivo Sika con un 9% de cemento en vez de un 12%, lo que supone un ahorro de un 25% del cemento total.

La implementación de prácticas avanzadas de relleno en pasta representa un hito significativo hacia la minería sostenible, mitigando los impactos ambientales asociados a la generación y control de residuos. Este estudio ilustra cómo las soluciones innovadoras, en particular las ofrecidas por Sika, pueden reducir la dependencia del cemento, optimizar el uso de recursos, y a la vez, asegurar la estabilidad y seguridad de las operaciones mineras subterráneas.

La reducción en el uso del cemento, gracias a los aditivos químicos, no solo disminuye los costos operacionales, sino que también reduce la huella de carbono, abordando así dos de los principales desafíos en la minería: la sostenibilidad ambiental y la viabilidad económica. Las figuras presentadas en el documento demuestran de manera efectiva cómo la aplicación de estos aditivos permite alcanzar las mismas o mayores resistencias mecánicas con una menor proporción de cemento, lo cual es un avance notable hacia procesos de relleno más eficientes y menos contaminantes.

Sin embargo, es esencial subrayar la importancia de un enfoque holístico en la selección de aditivos, considerando la mineralogía específica y el tamaño de partícula de los relaves con los que realiza el relleno. Muchos ejemplos encontrados en la literatura (e.g., Erismann, 2021) demuestran que la interacción entre estos factores y el aditivo seleccionado puede influir significativamente en el comportamiento reológico de la pasta y, por ende, en su eficacia como material de relleno. Esta necesidad de personalización subraya la importancia de la investigación y el desarrollo continuos, así como la colaboración entre las empresas mineras y los proveedores de soluciones como Sika. 

El caso de estudio de una mina de oro en Hispanoamérica, ilustra no solo la aplicabilidad y efectividad de las soluciones de Sika en contextos reales sino también cómo su implementación puede resultar en prácticas mineras más sostenibles y económicamente viables.
Los resultados de las pruebas industriales resaltan los beneficios operacionales y ambientales derivados de la adopción de aditivos en las prácticas de relleno en pasta de cámaras subterráneas. El uso de aditivos Sika han permitido a la mina un ahorro de un 25% de cemento, así como una optimización de tiempos de explotación que puede llegar al 66.6% en casos puntuales.   

La transición hacia prácticas mineras más sostenibles, como lo demuestra el uso avanzado de tecnologías de relleno en pasta, es crucial para abordar los desafíos ambientales y económicos contemporáneos en la industria minera. 

Uno de los hallazgos más significativos de este estudio, especialmente en el caso de estudio presentado, es la demostración de un ahorro sustancial de cemento, aproximadamente un 25%, mediante el uso de aditivos Sika. Este ahorro no solo representa una disminución directa en los costos materiales para la operación minera sino que también contribuye significativamente a la reducción de la huella de carbono asociada con la producción de cemento, alineándose así con los objetivos de sostenibilidad global.

Adicionalmente, la optimización de tiempos es otro aspecto crítico a tener en consideración. La implementación de tecnologías Sika permite reducir el tiempo necesario para alcanzar las resistencias deseadas en los materiales de relleno, lo que permite una rápida habilitación de las áreas minadas para continuar con las operaciones. Este incremento de la eficiencia no solo mejora la planificación y ejecución de los proyectos mineros, sino que también tiene un impacto positivo en la productividad general de la mina.

A través de una combinación de soluciones químicas avanzadas y aplicaciones prácticas, Sika apoya a la industria minera en alcanzar sus objetivos de sostenibilidad mientras mantiene la excelencia operacional.

Referencias

• Curry, J. A., Ismay, M. J., & Jameson, G. J. (2014). Mine operating costs and the potential impacts of energy and grinding. Minerals Engineering, 56, 70-80.
• Deb, D., Dey, G. K., & Panchal, S. (2017). Paste backfill technology: essential characteristics and assessment of its application for mill rejects of uranium ores. Transactions of the Indian Institute of Metals, 70, 487-495.
• Erismann, F. J. Kurz, C. and Hansson, M. (2017). Translating Paste Backfill Admixture Results from the Laboratory into the Field. 20th International Seminar on Paste and Thickened Tailings: Proceedings of the Conference on Paste and Thickened Tailings. Beijing, China 15-18 June 2017. pp. 190-198.
• Erismann, F., Hansson, M., Martinez, R. (2021). Diseños eficientes de mezclas de pasta de relleno utilizando aditivos de nueva generación - Percepción versus realidad. Interempresas.
• Hatch, 2019, Hatch analysis on the effectiveness of technologies to reduce mine waste.
• Khaiyum, M.Z.; Sarker, S.; Kabir, G. (2023). Evaluation of Carbon Emission Factors in the Cement Industry: An Emerging Economy Context. Sustainability, 15, 15407.
• Kuganathan, K & Grice, A. G. (2007). 'State-of-the-Art in Paste Fill Technology in the Mining Industry — A Functional Review', in R Jewell & AB Fourie (eds), Paste 2007: Proceedings of the Tenth International Seminar on Paste and Thickened Tailings, Australian Centre for Geomechanics, Perth, pp. 81-93.
• Northey, S., Mohr, S., Mudd, G., Weng, Z. & Giurco, D. (2014). Modelling future copper ore grade decline based on a detailed assessment of copper resources and mining, Resources, Conservation and Recycling, vol. 83, pp. 190-201.
• Pornillos, E. U. (2009). 'Paste Fill Plant Designs for Underground Mines — A Comparison of Batch Process and Continuous Process', in R Jewell, AB Fourie, S Barrera & J Wiertz (eds), Paste 2009: Proceedings of the Twelfth International Seminar on Paste and Thickened Tailings, Australian Centre for Geomechanics, Perth, pp. 364-374.
• Slade, N. M. (2010). 'Paste backfill — adding value to underground mining', in R Jewell & AB Fourie (eds), Paste 2010: Proceedings of the Thirteenth International Seminar on Paste and Thickened Tailings, Australian Centre for Geomechanics, Perth, pp. 99-109.