Por: José Luis Alvis, metalurgista Senior y Manuel Aragón Gutiérrez, gerente de Servicios Compartidos/Centro de Excelencia, Sociedad Minera Cerro Verde.

Resumen 

A lo largo de los años, el mineral enviado al proceso de lixiviación en Cerro Verde ha tenido un aumento en el contenido de arcillas y, por lo tanto, en los finos. El efecto principal es la disminución de la permeabilidad en la pila de lixiviación. Se han aplicado diferentes controles, como la mezcla de mineral de mina, incremento del tamaño de partícula del mineral chancado, monitoreo en línea de los niveles de agua subterránea y otros, para evitar problemas de estabilidad por baja permeabilidad en la pila de lixiviación. 

Como parte de la gestión operativa, se decidió aumentar el P80 de mineral chancado que va a la pila, de 13 a 16 milímetros, con el fin de mejorar las condiciones de permeabilidad y también minimizar los efectos de la decrepitación que se observó después del primer ciclo de lixiviación, las fracciones finas se pueden duplicar después del primer ciclo de lixiviación a los 200 días.

En el presente estudio, se mostrarán varias opciones que se manejaron para hacer frente al contenido de finos/arcillas, aplicables a las condiciones operativas de Cerro Verde. Asimismo, los trabajos realizados en laboratorio y en campo para soportar el cambio en el tamaño de partícula, como pruebas de permeabilidad y aglomeración, seguimiento de la decrepitación del mineral y el impacto en la recuperación de cobre. 

Introducción

Operaciones Cerro Verde

Desde 2006, con la puesta en marcha de la concentradora 1, Cerro Verde es principalmente una operación de molienda. La producción del circuito Hidro representa alrededor del 8 al 10% del total de cobre producido.

En términos de planificación de mina, el suministro de mineral al proceso Hidro proviene de stocks temporales, sulfuros secundarios y pit Cerro Negro, que es mineral oxidado. 

Por lo mencionado, las reubicaciones de palas para mejorar la calidad del mineral suministrado a las pilas por mezcla de frentes, son dificultosas de realizar.

 Proceso de lixiviación

El circuito de lixiviación en Cerro Verde está compuesto por operaciones de ROM y Crush Leach. El promedio de flujo total de PLS es de alrededor de 20,000 galones por minuto. 

El mineral para el pad 4B se aglomera con rafinato y ácido sulfúrico en tasas entre 5 a 9 Kg de ácido por Tm de mineral. Luego, el material se coloca en el pad 4B utilizando un apilador radial. La Tabla 1 muestra las principales características del pad 4B.

El P80 del mineral de lixiviación chancado era de 13 mm y el riego es con líneas de goteo a 0.13 litros / (min.m²) como tasa de riego.

El ciclo regular de lixiviación es de 220 días. Al término, otra capa se apila encima para continuar las operaciones.

El contenido de arcillas expansivas (Swelling clays) en el mineral entregado al proceso Hidro ha ido en aumento. Las arcillas S Clay tienen un enorme impacto en la permeabilidad en la operación de lixiviación en pilas debido a su alta capacidad para absorber agua y expandirse, disminuyendo la porosidad y la conductividad vertical. El efecto final es el encharcamiento en las áreas donde el contenido de arcilla es mayor.

El alto contenido de finos y arcillas también afecta la operación de la planta de chancado y fajas trasportadoras debido a los eventos de taponamiento en los chutes, sobrecarga de fajas, etc.

El contenido de arcilla expansiva en el mineral suministrado para Cerro Verde ha aumentado significativamente desde el 2017 del 3% promedio al 4%. La Figura 4 muestra la tendencia actual.

En abril de 2017, la planta de chancado estuvo detenida varios días, debido a la no entrega de mineral para el proceso Hidro, por no contarse con mineral con un contenido menor a 3.5% en S Clay. 

Con estos antecedentes, se evaluaron varias alternativas para aumentar el contenido de arcilla al proceso minimizando el efecto de pérdida de permeabilidad. 

Este alto contenido de arcillas y finos también puede conducir a problemas de estabilidad en el pad, porque hay sectores de alta saturación que eventualmente pueden incluso licuarse después de que ocurra un sismo significativo.

Además, de acuerdo con los datos de la prueba geotécnica Cone Penetration Test (CPT), se han identificado áreas con comportamiento contractivo y dominadas por finos, precisamente estas corresponden a sectores finos/arcillosos.

Los eventos geotécnicos pueden requerir costosas remediaciones como pozos de bombeo de solución, instalación de drenajes verticales y horizontales, drenajes con mechas, reconfiguración de taludes, construcción de contrafuertes, etc. En la Figura 8, se muestra como ejemplo el contrafuerte construido en la frentera del pad 4B. En general, un contrafuerte puede costar 50 dólares por tonelada de material utilizado para la construcción. Para este caso, se requirieron alrededor de US$ 4 millones.

Actividades desarrolladas e implementadas

Alternativas para tratar el mineral con alto contenido de arcillas y finos 

En general, para sostener una operación segura en los pads permanentes de lixiviación se tienen las siguientes alternativas para hacer frente a las arcillas y finos: 

ν Incremento del tamaño de partícula con disminución de recuperación de cobre. Según pruebas, se puede perder alrededor del 2% en recuperación por cada milímetro de incremento del P80 en el primer ciclo de lixiviación.

ν Mejorar la mezcla en mina: que no es tan fácil de implementar teniendo en cuenta que el área de mina en Cerro Verde necesita mover alrededor de un millón de toneladas por día para sus procesos.

ν Perfeccionar la mezcla en el stock pile producto del chancado primario. Sin embargo, si solo recibe mineral con alta arcilla y de alto fino en algún momento, no hay material grueso adicional para mezclar.

ν Modificar la configuración de la planta de chancado para zarandear separando la fracción fina del mineral para enviarla a otro proceso.

ν Instalar sistemas adicionales de drenaje con incremento de costos operativos sin garantía que sean efectivos en toda la extensión del pad. La recuperación también es un problema debido al cortocircuito del PLS. 

Consideraciones para el aumento de P80 

ν Efectos en la recuperación de Cu: las pruebas de columna determinaron que aumentar el tamaño en orden de 1 mm el P80 disminuye la recuperación de cobre pronosticada en un 2% (ver Figura 9).

ν El tamaño máximo de partícula mineral para una aglomeración óptima: el mejor enfoque es realizar pruebas de aglomeración.

ν Decrepitación y migración de finos: es crítico determinar el beneficio de incrementar el P80 en la menor generación de finos debido a la decrepitación del mineral. La Figura 10 muestra las curvas de tamaño de partícula para varias muestras tomadas en el pad 4B. Se puede observar que el contenido fino varía del 10 al 25%.

No es mayor el efecto negativo en la recuperación de Cu del mineral suministrado al pad 4B, por la accesibilidad que se tiene. En las fracciones gruesas (tamaños 1/2", 3/8" y 1/4"), se observó que la fracturación se debe a la alteración de la roca, formando lajas. Además, la accesibilidad a las especies mineralógicas que contienen Cu y Fe es del 99.7%.

Los granos inaccesibles son muy pequeños (5 a 25 micras) incrustados en cuarzo.

Pruebas de aglomeración

Se determinó que en la etapa de aglomeración (adhesión de finos a las partículas gruesas) es óptima hasta un contenido en la fracción +3/4” del 8% (45% +3/8").

Las Figuras 12 y 13 muestran la calidad del mineral aglomerado en términos de los finos adheridos a las partículas gruesas, después de varias pruebas realizadas manualmente a escala de laboratorio.  

También, se efectuó una campaña de muestreo del mineral aglomerado y apilado en el pad a diferente profundidad (superior, media e inferior de la pila) y se encontró en general una excelente distribución uniforme de partículas a esas diferentes ubicaciones en el talud. Esto confirma lo que se logró en el laboratorio metalúrgico, por lo que se alcanzó una buena aglomeración hasta una fracción de +3/4 pulgadas como top size.

Pruebas de permeabilidad

La permeabilidad es la medida de la facilidad con la que la solución lixiviante se mueve a través de la pila de mineral. Existe una relación entre la permeabilidad y la distribución del tamaño de grano del mineral dentro de las pilas de lixiviación. Los estudios experimentales para investigar estas relaciones consisten en la variación sistemática de valores de los parámetros estadísticos (tamaño de partícula y presión de compactación) y la evaluación consecuente de la permeabilidad de las muestras. Se desarrollaron varias gráficas que relacionan la permeabilidad con el tamaño de partícula, determinando la compactación que se tiene al apilarse capas superiores de mineral. 

La prueba desarrollada para establecer la permeabilidad del mineral bajo una mayor presión de confinamiento fue efectuada por el método de pared flexible. El aparato de prueba consiste en un cilindro de látex de 6 pulgadas de diámetro, piedra porosa inferior, placa base con un drenaje, placa superior porosa, marco de reacción y un dispositivo de carga. En la Figura 15, se presenta el aparato de ensayo. Primero se pesa una muestra de mineral y luego se deposita en el cilindro de látex. Se registra su densidad y el contenido de humedad inicial. A constante permeabilidad en la cabeza se inicia la prueba, sin carga, en general de acuerdo con el método de prueba. La carga axial se incrementa a una presión tal, que simula alturas de pila o elevaciones apiladas por encima. La prueba de permeabilidad se repite bajo nueva carga. 

La experiencia con este tipo de pruebas puede llevarse a cabo para diferentes tamaños de partícula tanto para la cabeza como para los ripios finales del mineral que es apilado en un pad permanente de lixiviación.

Al graficar resultados, se observa que incrementando la fracción +3/8" de 35 a 45%, la permeabilidad aumenta en casi un 100%. Como se muestra en la Figura 16.

Uno de los aspectos más críticos a considerar para estas evaluaciones es el contenido de arcillas expansivas (swelling clays) en el mineral entregado al proceso Hidro y específicamente para Cerro Verde se ha definido que para 30 a 35% +3/8", el contenido máximo de S Clay es de 3.5%. 

Otros ensayos indican que aumentando la fracción de +3/8 pulgadas en un 10%, también permite y confirma que es posible incrementar el contenido de S Clay hasta el 4.5% en el mineral apilado. Se observó que el contenido total de arcilla no debía cambiarse.

La Figura 17 muestra que al incrementar el tamaño de partícula en un 10%, la permeabilidad aumenta en casi un 100%, y esto permite también expandir el contenido de swelling clay de 4 al 4.5%.

Como información complementaria, se han desarrollado varias campañas de perforación en el pad 4B a diferentes profundidades con distintas distribuciones de tamaño de partícula y se ha registrado el efecto sobre la permeabilidad a distintos contenidos finos (-200 Mesh). Se observa que aumentando la fracción de malla menos 200 del 6 al 10%, la permeabilidad disminuye en casi el 80%. Esto se muestra en la Figura 18, considerando la fracción fina hasta el 22%, donde la permeabilidad es casi cero correspondiente a una presión de compactación de cinco capas (lifts) de mineral apilado.

Finalmente, se ha observado la influencia en la permeabilidad respecto al contenido de arcillas totales. Para Cero Verde el contenido máximo permitido de arcillas totales en el proceso es de 8.5%.

Seguimiento de la decrepitación

Durante el ciclo de lixiviación, debido al ataque ácido, el mineral se decrepita, es decir, el contenido fino aumenta a un ritmo variable, dependiendo de la mineralogía accesibilidad, porosidad, etc. Se observó en el pad 4B que la tasa de decrepitación es de casi el 100% en la fracción de finos (-100 y -200 M), lo que significa que, por ejemplo, que si al comienzo del ciclo de lixiviación el -200 M es del 9%, después de completar el primer ciclo, el contenido de finos en esta malla está en el rango del 18 al 20%.

La Figura 20 muestra la tasa de decrepitación comparando la distribución del tamaño de partícula en cero días y después de 240 días de lixiviación.

Varios muestreos con barreno en la pila mostraron que el contenido de finos, -200 M (-74 micrones) después del primer ciclo de lixiviación, aumenta casi el doble. El mismo efecto se verificó también para la fracción de -100 M (-150 micrones) y para los tamices más gruesos, 3/8", por ejemplo, se observó una disminución entre el 20-30%. 

Para las operaciones de lixiviación en Cerro Verde, el KPI para el tamaño-200 M es del 9.5% al inicio del ciclo.

Después del incremento de tamaño de 30 a 40-45% en la fracción +3/8", la decrepitación disminuyó en casi un 50% como se muestra en la Figura 22, que es bastante menor que los registros que se tenían a valores menores del P80.

Este incremento en el P80 se logró abriendo el circuito de zarandeo terciario, y el control del tamaño de partícula se realizó utilizando un sistema de muestreo automático en la faja final que alimenta al pad de lixiviación.

Otra conclusión importante es que la decrepitación en el mineral se inicia entre la aglomeración y el apilamiento debido principalmente a la adición de ácido en el aglomerado y el trasporte por fajas. Es menor este efecto en el mineral ya depositado en la pila.

La Figura 23 muestra que el efecto principal de decrepitación ocurre en las primeras etapas del ciclo de lixiviación, y las muestras obtenidas a mayores ciclos no se ven afectadas significativamente. 

Recuperaciones en la lixiviación en pilas

Las recuperaciones de cobre en el pad 4B, en el nivel 15, promedian 1.7% menos que el modelo metalúrgico. A partir del nivel (capa) 11, el tamaño de partícula del mineral se incrementó de 35 a 45% +3/8".

Es importante considerar que el inventario de Cu se puede perder debido a este incremento de tamaño. Como se mostró en la sección anterior, la recuperación puede verse afectada en un 8 a 9% cuando el tamaño de partícula se incrementa en un 10%, por lo que el trabajo futuro es revisar cuidadosamente el mejor escenario económico para el parámetro del P80 en las operaciones de lixiviación.

Ratio gruesos/finos control del 

contenido de finos y arcillas

El ratio gruesos/finos, relación del contenido de toneladas de finos referido a mallas –M 200 y –M 100 respecto a las toneladas de gruesos representados en la fracción +3/8”, es el índice de seguimiento de la permeabilidad que se tiene en el mineral apilado en el pad. En base a las diferentes pruebas descritas anteriormente se estableció los siguientes KPI:

Conclusiones

1. Es posible alcanzar una buena calidad de aglomeración en tamaños 8% +3/4”.

2. La permeabilidad aumenta notablemente cuando las fracciones de +3/8" pasan de 30 a 40-45%.

3. Con un contenido en el mineral de hasta 5% de arcilla expansiva la permeabilidad se mantiene igual cuando se incrementa la fracción gruesa (3/4" y 3/8").

4. Al 30% +3/8" por la decrepitación casi se duplica la fracción fina después del primer ciclo de lixiviación.

5. Cuando las fracciones más gruesas se incrementan al 8% +3/4", o al 45% la fracción +3/8", la decrepitación en el tamaño -200 M disminuye un promedio del 50%.

6. La decrepitación ocurre principalmente después de la aglomeración y cuando el mineral es apilado en el pad.

7. El registro diario de los ratios gruesos/finos permite el seguimiento de la permeabilidad en la pila y la identificación de zonas que pudieran presentar eventos de problemas de percolación.

8. La recuperación total de cobre se ve afectada en un 1.7% después del primer ciclo de lixiviación. Sin embargo, el efecto sobre las pérdidas de inventario de Cu debe evaluarse para definir el mejor escenario económico para el proceso de lixiviación.

Agradecimientos

Un agradecimiento especial a Guillermo Canchis, Casey Clayton y Bill Sircy por todo el apoyo en las actividades descritas en este documento.

Bibliografía

Informes internos en el Área Hydromet, 2017- 2021. 

Informes Internos Área de Geotecnia 2017-2021.