Excavación de pozos

La excavación de pozos mineros consiste en la creación de un pozo minero desde arriba hacia abajo, donde inicialmente no hay acceso al fondo. ^{[ 1 ]} Los pozos poco profundos , que suelen excavarse para proyectos de ingeniería civil , difieren notablemente en su método de ejecución de los pozos profundos, que suelen excavarse para proyectos mineros .

La excavación de pozos es uno de los métodos de desarrollo minero más difíciles: el espacio limitado, la gravedad, el agua subterránea y los procedimientos especializados hacen que la tarea sea bastante formidable. ^{[ 2 ]} Los pozos pueden excavarse mediante perforación y voladura convencionales o por medios mecanizados.

Históricamente, la excavación de pozos mineros ha sido una de las ocupaciones mineras más peligrosas y exclusiva de contratistas mineros llamados excavadores . ^{[ 3 ]} Hoy en día, los contratistas de excavación de pozos se concentran en Canadá , Alemania , China y Sudáfrica .

La industria moderna de excavación de pozos está avanzando gradualmente hacia una mayor mecanización. Las innovaciones recientes, como la perforación de pozos de frente completo ^{[ 4 ]} (similar a una tuneladora vertical ), se han mostrado prometedoras, pero el uso de este método, a fecha de 2019, no está generalizado. ^{[ 5 ]}

Los pozos mineros son túneles verticales o casi verticales que se excavan para acceder a un yacimiento subterráneo de mineral durante el desarrollo de una mina subterránea.

La forma (en planta ), las dimensiones y la profundidad de los pozos mineros varían considerablemente en función de las necesidades específicas de la mina a la que pertenecen y de la geología que atraviesan. Por ejemplo, en América del Norte y del Sur, los pozos más pequeños se diseñan con forma rectangular en planta y soportes de madera . Los pozos más grandes son redondos en planta y están revestidos de hormigón . ^{[ 6 ]}

Los pozos mineros pueden utilizarse para diversos fines, entre ellos como vía de escape en caso de emergencia subterránea y para permitir el movimiento de:

• Gente
• Materiales
• Servicios mineros (como aire comprimido, agua, relleno, energía, comunicaciones y combustible)
• Aire de ventilación
• Roca fragmentada (en forma de mineral rentable o de desecho no rentable).
• O cualquier combinación de las anteriores.

Cuando la parte superior de la excavación está en la superficie del terreno, se denomina pozo ; cuando la parte superior de la excavación está bajo tierra, se denomina pozo de acceso o pozo secundario . Se pueden excavar pozos pequeños hacia arriba desde el interior de una mina existente siempre que haya acceso en la parte inferior, en cuyo caso se denominan pozos de ventilación .

Un pozo puede ser vertical o inclinado (entre 80 y 90 grados con respecto a la horizontal), aunque la mayoría de los pozos mineros modernos son verticales. Si existe acceso en la base del pozo propuesto y las condiciones del terreno lo permiten, se puede utilizar la perforación ascendente para excavar el pozo desde abajo hacia arriba; estos pozos se denominan pozos de perforación .

Tras el desastre de la mina Hartley Colliery, donde el único pozo quedó bloqueado, ^{[ 7 ]} el Reino Unido ilegalizó las minas de un solo pozo en 1862, estableciendo la práctica de que todas las minas subterráneas debían tener " una segunda vía de escape ". Muchas otras jurisdicciones mineras a nivel mundial han adoptado esta norma y, por lo tanto, los pozos suelen encontrarse en pares (aunque existen múltiples métodos alternativos para proporcionar una segunda vía de escape).

Actualmente, el pozo minero continuo de un solo ascensor más profundo del mundo es el pozo principal de la mina South Deep en Sudáfrica, propiedad de Gold Fields Limited , que tiene una profundidad de 2991 metros. ^{[ 8 ]} Junto con sus dos pozos de ventilación, tardó diez años en excavarse y equiparse.

La característica más visible de un pozo minero de construcción tradicional es el castillete (o torre de extracción, cabezal de pozo o boca de pozo) que se alza sobre el pozo. Dependiendo del tipo de cabrestante utilizado, la parte superior del castillete albergará un motor de cabrestante o una polea (con el motor de cabrestante montado en el suelo). El castillete también suele contener tolvas para almacenar el mineral que se transporta a la planta de procesamiento.

A nivel del suelo, debajo y alrededor del castillete, se encuentra el collarín del pozo (también llamado plataforma o cubierta), que proporciona la base necesaria para soportar el peso del castillete y permite la entrada y salida de trabajadores, materiales y servicios. Los collarines suelen ser estructuras macizas de hormigón armado con varios niveles. Si el pozo se utiliza para la ventilación de la mina , se incorpora un espacio plenum o revestimiento al collarín para garantizar el flujo adecuado de aire dentro y fuera de la mina.

Debajo del collarín, la parte del pozo que se extiende hacia el suelo se denomina cañón .

En los puntos donde el pozo se une a las galerías horizontales, se encuentra una estación de acceso (o foso) que permite la entrada y salida de personal, materiales y servicios. Desde la estación, los túneles (galeras, galerías o niveles) se extienden hacia el yacimiento , a veces a lo largo de muchos kilómetros. La estación de acceso más baja suele ser el punto donde la roca sale de los niveles de la mina y se transfiere al pozo; en tal caso, se excava una cavidad de carga en un lateral del pozo en este punto para permitir la construcción de las instalaciones de transferencia.

Debajo de la estación más baja del pozo, este se extiende a lo largo de cierta distancia; esta zona se conoce como el fondo del pozo . Un túnel llamado rampa suele conectar el fondo del pozo con el resto de la mina. Esta rampa a menudo alberga la instalación de gestión de agua de la mina, llamada sumidero , ya que el agua fluye naturalmente hacia el punto más bajo de la mina.

Muchos pozos (aunque no todos) se revisten tras la excavación y la instalación de soportes temporales . El revestimiento del pozo cumple varias funciones: en primer lugar, es un elemento de seguridad que evita que caigan rocas sueltas o inestables en el pozo; en segundo lugar, sirve de base para atornillar los elementos de fijación; y, por último, proporciona una superficie lisa para minimizar la resistencia al flujo de aire para la ventilación.

La elección final del revestimiento del pozo depende de la geología de la roca que atraviesa; algunos pozos tienen varias secciones de revestimiento según sea necesario ^{[ 9 ].} Cuando los pozos se excavan en roca muy resistente, puede que no sea necesario ningún revestimiento, o solo la instalación de malla soldada y pernos de roca . El material de elección para el revestimiento del pozo es el hormigón en masa, que se vierte detrás de los encofrados del pozo en capas de 6 m a medida que el pozo avanza (se hace más profundo).

El hormigón proyectado , el fibrocemento, el ladrillo , los tubos de hierro fundido y los segmentos de hormigón prefabricado se han utilizado en algún momento. Además, en circunstancias específicas se ha requerido el uso de materiales como el betún e incluso pelotas de squash. En casos extremos, sobre todo al perforar halita , pueden ser necesarios revestimientos compuestos formados por dos o más materiales. ^{[ 10 ]}

El revestimiento del pozo no llega hasta el fondo durante la excavación, sino que queda rezagado a una distancia fija. Esta distancia viene determinada por la metodología de excavación y el espesor de diseño del revestimiento permanente. Para garantizar la seguridad de las personas que trabajan en el fondo del pozo, se instala un soporte temporal, que suele consistir en malla soldada y pernos de roca . La instalación de este soporte temporal (denominada atornillado ) es una de las partes más exigentes físicamente del proceso de excavación del pozo, ya que los pernos deben instalarse con perforadoras neumáticas .

Por este motivo, y para minimizar el número de personas en el fondo del pozo, varios proyectos han optado con éxito por el hormigón proyectado para este revestimiento temporal. La investigación y el desarrollo en este ámbito se centran en la aplicación robótica del hormigón proyectado y la comercialización de revestimientos poliméricos delgados aplicados por pulverización .

Cuando el pozo se utiliza para izaje, suele dividirse en varios compartimentos mediante conjuntos de pozos , que pueden ser de madera o acero . Los elementos verticales de un conjunto de pozos se denominan guías , y los horizontales, travesaños . Para las guías de pozos de acero, las dos opciones principales son los perfiles estructurales huecos y los perfiles en forma de sombrero. Los perfiles en forma de sombrero ofrecen varias ventajas sobre los perfiles estructurales huecos, como una instalación más sencilla, una mayor resistencia a la corrosión y una mayor rigidez. Los transportadores mineros se desplazan sobre las guías de forma similar a como una montaña rusa de acero se desplaza sobre sus raíles, ya que ambos cuentan con ruedas que los mantienen firmemente en su lugar.

Algunos pozos no utilizan vigas guía, sino que emplean cables de acero (llamados cables guía ) que se mantienen en tensión mediante enormes contrapesos en el fondo del pozo, llamados contrapesos de queso (debido a su parecido con una rueda de queso), ya que son más fáciles de mantener y reemplazar.

El compartimento más grande se utiliza normalmente para la jaula de la mina , un sistema de transporte que se emplea para trasladar trabajadores y suministros bajo tierra y que se suspende del polipasto mediante un cable de acero. Su funcionamiento es similar al de un ascensor . Las jaulas pueden ser de uno, dos o, raramente, tres pisos, y siempre cuentan con múltiples sistemas de seguridad redundantes en caso de fallo inesperado.

El segundo compartimento se utiliza para una o más vagonetas , que se usan para izar el mineral a la superficie. Las operaciones mineras más pequeñas utilizan una vagoneta montada debajo de la jaula, en lugar de un dispositivo separado, mientras que algunas minas grandes tienen pozos separados para la jaula y las vagonetas. El tercer compartimento se utiliza como salida de emergencia; puede albergar una jaula auxiliar o un sistema de escaleras. Un compartimento adicional alberga los servicios de la mina, como cables de alta tensión y tuberías para la transferencia de agua, aire comprimido o combustible diésel .

Una segunda razón para dividir el pozo es la ventilación . Uno o más de los compartimentos mencionados anteriormente pueden utilizarse para la entrada de aire, mientras que otros pueden utilizarse para la salida. En estos casos, se instala una pared de acero u hormigón, denominada celosía, entre los dos compartimentos para separar el flujo de aire. En muchas minas existen uno o más pozos auxiliares adicionales completos e independientes, con sus respectivas estructuras de extracción y jaulas.

El punto más bajo de un pozo de excavación se conoce como el "fondo del pozo". Los proyectos de pozos se diferencian de otras formas de desarrollo minero en que todas las actividades que se realizan en el fondo del pozo forman parte de la ruta crítica del cronograma del proyecto. La infraestructura necesaria para excavar un pozo se denomina "configuración de excavación".

Es habitual que el progreso (la "tasa de hundimiento") en la fase de excavación (que incluye la excavación, el sostenimiento del terreno y el revestimiento) de un pozo siga una curva de aprendizaje, ya que el equipo repite la misma serie de actividades una y otra vez en lo que se denomina "ciclo de hundimiento", acercándose finalmente a la tasa máxima teórica para esa configuración de hundimiento con el tiempo. El uso de operarios de hundimiento de pozos experimentados es necesario para reducir al máximo la duración de esta curva de aprendizaje y, por consiguiente, la duración del proyecto.

Las claves para un proyecto exitoso de excavación de pozos son:

• Asegurarse de que los distintos componentes del sistema de hundimiento estén correctamente instalados y en el momento adecuado.
• Contar con personas con experiencia involucradas desde las primeras etapas del proyecto.
• Utilizar el tiempo disponible en el fondo del pozo de la forma más eficiente posible.

Aunque los perforadores de pozos hacen especial hincapié en el ritmo de avance del ciclo de excavación de un proyecto, la excavación es solo una de las varias fases de la construcción convencional de un nuevo pozo, como se detalla a continuación:

• Excavación en cajón . Un cajón es una excavación cuadrada o rectangular de grandes dimensiones, generalmente realizada con maquinaria pesada hasta alcanzar la roca madre, dentro de la cual se construirá el collarín del pozo. Es necesario que las cargas impuestas por el collarín, el castillete y el equipo de elevación se transfieran a la roca sólida para evitar hundimientos imprevistos. Cuando la profundidad de la roca madre es demasiado grande para que un cajón sea económicamente viable, o cuando la roca madre no es lo suficientemente resistente, se pueden utilizar técnicas de ingeniería civil, como muros pantalla o pilotes de hormigón, para crear una cimentación profunda.
• Pre-hundimiento . El pre-hundimiento consiste en la excavación y el soporte de los primeros 60-100 metros del pozo, a menudo realizado con equipos más pequeños como equipos de perforación neumática portátiles para perforar agujeros para el revestimiento y el soporte del terreno, y miniexcavadoras para la remoción de escombros. Durante el pre-hundimiento, el izamiento de escombros y equipos generalmente se realiza con una grúa móvil en la superficie. Es necesario hundir primero esta parte del pozo para que se pueda instalar la plataforma de trabajo multinivel Galloway con suficiente distancia vertical al fondo del pozo para que no se dañe por la proyección de rocas durante la voladura .
• Construcción del collarín . Desde la parte inferior del corte de la caja, el collarín del pozo se construye de abajo hacia arriba mediante una serie planificada de vertidos de hormigón.
• Construcción e instalación de la plataforma de hundimiento (también conocida como andamio). La plataforma de hundimiento (también conocida como andamio) es una plataforma de trabajo multinivel, suspendida en el pozo mediante cabrestantes ubicados en la superficie. Permite a los operarios trabajar de manera eficiente en diferentes niveles según lo requieran las distintas tareas del ciclo de hundimiento. Generalmente, la plataforma se construye a un lado del pozo y se baja al pozo con una grúa lo más completa posible. Una vez en su lugar, se la sujeta (se suspende del collar del pozo) mientras se construye el cabezal, a menudo protegido por un mamparo.
• Construcción del cabezal y la caseta del cabrestante. Una vez construido el collarín y instalado el Galloway, se pueden construir el cabezal y la caseta del cabrestante (o del cabrestante) e instalar los cables del cabrestante y del cabrestante. Los cabezales pueden ser de acero o de hormigón, y su diseño determinará su construcción. El Galloway se mueve en el pozo mediante cabrestantes, que se mueven lentamente y están diseñados para soportar cargas significativas, mientras que los cangilones de hundimiento (o kibbles) se mueven en el pozo mediante el cabrestante de hundimiento, que se mueve rápidamente y está diseñado para soportar cargas menores que los cabrestantes. Para proteger el o los cabrestantes y los componentes electrónicos sensibles que se utilizan para controlar su funcionamiento, normalmente se instalan dentro de una estructura denominada caseta del cabrestante (o del cabrestante).
• Puesta en marcha del sistema de hundimiento. A continuación, se debe poner en marcha el sistema de hundimiento para garantizar que todos los componentes funcionen según lo previsto.
• Perforación completa . Las actividades del ciclo de perforación (excavación, instalación de soportes temporales del terreno, colocación del revestimiento del pozo y extensión de los servicios del pozo) se llevan a cabo en esta fase de construcción. En un pozo con varios niveles de trabajo, las estaciones del pozo y los tramos cortos de túnel horizontal que parten de la estación se desarrollarán durante el descenso. Dado que el equipo para excavar estas estaciones debe ser lo suficientemente pequeño como para pasar por las aberturas en Galloway, el ritmo de avance en el desarrollo de los tramos cortos suele ser lento, en comparación con lo que se puede lograr con equipos de minería de tamaño completo, por lo que los tramos cortos se mantienen lo más cortos posible.
• Equipamiento del pozo y cambio de la estructura de cabecera. Una vez que el pozo alcanza la profundidad de diseño final, se retiran los servicios temporales, se corta o modifica la estructura Galloway para adaptarla a la instalación del sistema permanente del pozo, se instalan los conjuntos de pozos (si son necesarios) y se modifican la estructura de cabecera y los cabrestantes para permitir el izaje permanente. En esta etapa se instalarán los sistemas de transporte permanentes.
• Puesta en marcha del sistema permanente. A continuación, se debe poner en marcha el sistema permanente para garantizar que todos los componentes funcionen según lo previsto antes de entregarlo al nuevo propietario.

Al igual que con la profundidad y el diseño de los pozos, esta secuencia puede variar considerablemente según las condiciones locales. Por ejemplo, en el Escudo Canadiense , los pozos generalmente no requieren un collar profundo y complejo, ya que la roca madre es resistente y se encuentra cerca de la superficie. Esto reduce el tiempo necesario para la construcción del collar.

Tradicionalmente, las empresas constructoras de pozos erigían una estructura provisional para la instalación, la cual posteriormente se desmantelaba para dar paso a la estructura permanente. Con el aumento de la complejidad y la duración de los proyectos de excavación de pozos, se ha vuelto más común incorporar una mayor parte de la estructura permanente durante la fase de excavación. Esto reduce la duración total del proyecto, ya que, por ejemplo, no es necesario retirar las tuberías de servicio utilizadas para la excavación del pozo para instalar las tuberías permanentes.

Gracias a los avances en la tecnología de perforación ascendente, las perforadoras ascendentes se utilizan para crear un orificio piloto para la excavación del pozo, donde existe acceso en el fondo del nuevo pozo. En este caso, la fase de excavación se dedica a ensanchar este orificio piloto hasta su diámetro completo (un proceso que se suele denominar "desbaste"). Esta metodología puede ser considerablemente más rápida que la excavación de frente completo, ya que el material de desecho (roca estéril) de la excavación cae por el orificio piloto y se gestiona utilizando la infraestructura minera existente fuera de la ruta crítica.

• Pozos y túneles mineros abandonados
• Secciones de sombrero de copa