Thesis:

Cuantificación del tamaño de la zona de extracción para distintas secuencias en minería de caving

La geometría de la zona de extracción (EZ) gobierna la eficiencia, la recuperación y la dilución en minería por hundimiento, pero su caracterización cuantitativa sigue siendo limitada bajo condiciones operacionales y geomecánicas complejas. Este trabajo integra experimentación física, modelación por elementos finitos y análisis dimensional para predecir su evolución según la secuencia de apertura, el diámetro medio de partícula (D50) y el ángulo de fricción interna (φ). El objetivo central fue cuantificar la IEZ y proponer un modelo adimensional que anticipe su ancho bajo distintas condiciones operativas. Se diseñó una maqueta a escala 1:267 que simula un block caving de 200 m de alto con ocho puntos de extracción secuencial y partículas de cuarzo; el sistema automatizado, procesado en MATLAB, se obtuvieron coeficientes de variación menores al 5% en la medición del ancho de la zona de movimiento, evaluados a partir de 30 repeticiones por configuración. En paralelo, se implementó en COMSOL Multiphysics —mediante el Método de Elementos Finitos (FEM)— la formulación de Morales (2024) para simular distintas secuencias y, a través de un barrido paramétrico sobre el D50 y φ, derivar relaciones adimensionales que predicen el ancho de la IEZ. El modelo resultante alcanzó un R² = 0,9347. Simulaciones complementarias en EDEM respaldaron los fenómenos observados. Los resultados muestran que la activación progresiva de puntos reduce el ancho un 20% e incrementa la altura un 25% para el caso base homólogo al de Leyton. Un D50 mayor aumenta en 35% el ancho inicial (reduciéndose al 2% tras 20 aperturas), mientras que incrementar φ de 0,174 a 0,474 rad (10° a 27°) reduce el ancho un 25%, estabilizado desde la décima apertura. La sobreextracción localizada acelera la expansión lateral inicial, mejorando la interacción del flujo. El modelo matemático incorpora grupos adimensionales que capturan estas variaciones, destacando al número de puntos de extracción como la variable más influyente. Además, se observó que al aumentar el número de puntos de extracción activos, el ancho adimensional W* disminuyó un 63% en ensayos físicos, 20% en FEM y 14% en DEM, debido a que las simulaciones representan solo la zona estrictamente extraída. Los resultados evidencian que abrir más puntos en etapas tempranas promueve una mayor conectividad entre zonas activas y una expansión más uniforme del flujo, lo que favorece una recuperación más eficiente. El modelo predictivo desarrollado permite anticipar la evolución geométrica de la IEZ bajo distintas condiciones operacionales y guiar decisiones sobre la secuencia y el ritmo de apertura de puntos, entregando criterios cuantitativos para optimizar el diseño de mallas, mejorar la recuperación y aumentar la eficiencia en operaciones de hundimiento.

The geometry of the extraction zone (EZ) governs efficiency, recovery, and dilution in block caving mining, yet its quantitative characterization remains limited under complex operational and geomechanical conditions. This work integrates physical experimentation, finite element modeling, and dimensional analysis to predict its evolution based on draw sequence, median particle size (D50), and internal friction angle (φ). The main objective was to quantify the EZ influence zone (IEZ) and propose a dimensionless model to anticipate its width under different operational scenarios. A 1:267 scale physical model simulating a 200-meter-high block caving with eight sequential drawpoints and quartz particles was designed. The automated system, processed in MATLAB, achieved coefficients of variation below 5% in measuring the width of the movement zone, evaluated from 30 repetitions per configuration. Simultaneously, Morales’ (2024) formulation was implemented in COMSOL Multiphysics using the Finite Element Method (FEM) to simulate various draw sequences and, through a parametric sweep over D50 and φ, derive dimensionless relationships predicting the IEZ width. The resulting model reached an R² of 0.9347. Complementary simulations in EDEM supported the observed phenomena. Results show that progressive activation of drawpoints reduces the width by 20% and increases height by 25% in the baseline case analogous to Leyton's. A larger D50 increases the initial width by 35% (reducing to 2% after 20 openings), while increasing φ from 0.174 to 0.474 rad (10° to 27°) decreases the width by 25%, stabilizing from the tenth opening onwards. Localized overdrawing accelerates initial lateral expansion, enhancing flow interaction. The mathematical model incorporates dimensionless groups capturing these variations, highlighting the number of active drawpoints as the most influential variable. Additionally, it was observed that increasing the number of active drawpoints reduced the dimensionless width W* by 63% in physical tests, 20% in FEM, and 14% in DEM, since simulations represent only the strictly extracted zone. The results demonstrate that activating more drawpoints in early stages promotes greater connectivity between active zones and a more uniform flow expansion, favoring more efficient recovery. The developed predictive model allows anticipating the geometric evolution of the IEZ under different operational conditions and guides decisions regarding drawpoint sequencing and opening rates, providing quantitative criteria to optimize draw designs, improve recovery, and enhance efficiency in block caving operations.