Estudio de optimización sobre la zonificación minera transversal durante la etapa de expansión de capacidad de minas de carbón a cielo abierto casi horizontales

Por qué importa remodelar las gigantescas excavaciones de carbón

En gran parte del mundo, la electricidad y la industria siguen dependiendo en gran medida del carbón. En China, vastas minas a cielo abierto suministran gran parte de este combustible, pero a medida que estas operaciones crecen, pueden volverse menos seguras, más costosas y más dañinas para el paisaje. Este artículo analiza cómo una de esas minas en el noreste de China puede reorganizar su disposición para aumentar la producción de forma segura, reducir residuos y aprovechar mejor el terreno y el equipo. Las ideas desarrolladas aquí son relevantes en cualquier lugar donde las grandes minas superficiales deban ampliarse sin que se disparen los costos o los riesgos.

De un gran tajo a zonas de trabajo más inteligentes

La mina a cielo abierto Baoqing Chaoyang actualmente produce alrededor de 7 millones de toneladas de carbón al año y aspira a alcanzar 11 millones. Explotan un manto de carbón casi plano mediante un diseño tradicional “longitudinal”: el frente de explotación avanza de forma relativamente recta y los camiones transportan roca y suelo removido hasta los depósitos de desecho. A medida que aumenta la producción, este esquema genera problemas. La línea activa de trabajo es demasiado corta, por lo que el tajo debe avanzar rápidamente cada año, tensionando el equipo y la programación. Los depósitos internos de desechos dentro del tajo se están llenando, y sus pendientes bajas y aplanadas difieren de los valores de diseño, lo que sugiere inestabilidad y deja poco espacio para material adicional. Al mismo tiempo, ampliar los depósitos externos es difícil porque exige más terreno. Los autores sostienen que, en lugar de simplemente excavar más rápido con el mismo patrón, la mina debería dividirse en varias zonas transversales más anchas que se ajusten mejor al manto de carbón y alivien la presión sobre los depósitos de desechos.

Encontrar el punto óptimo para la longitud del tajo y el coste

Una cuestión central es: ¿qué longitud debe tener el frente de explotación activo? Si es demasiado corto, el tajo debe avanzar muy deprisa, aumentando los riesgos de talud y obligando a los camiones a recorrer mayores pendientes. Si es demasiado largo, el equipo puede quedar disperso y las distancias de transporte dentro del tajo aumentan, lo que también encarece los costos. El equipo construyó un modelo geométrico y de costes sencillo que relaciona la producción anual de carbón, el espesor y la densidad del manto, la tasa de avance permitida y el espesor del material de desecho con la razón de barrenado (cuánto material debe moverse por tonelada de carbón) y el coste de voladura, extracción y transporte. Muestran que el coste total de barrenado se comporta como una curva en forma de U poco pronunciada conforme aumenta la longitud de la línea de trabajo: líneas muy cortas son caras porque hay que mover el material desde paredes finales empinadas, mientras que líneas muy largas aumentan la distancia de acarreo. Para el objetivo de 11 millones de toneladas al año, el modelo indica una longitud económica de la línea de trabajo entre unos 1,35 y 2,05 kilómetros, con un punto óptimo alrededor de 1,35 kilómetros y un avance anual de aproximadamente 400–500 metros. Este intervalo guía entonces el ancho de cada nueva zona minera.

Girar la mina para pendientes de desecho más seguras

A continuación, los autores exploran qué ocurre si la mina se transforma gradualmente de un diseño longitudinal a uno lateral (transversal), de modo que la explotación y el vertido sigan más la suave inclinación del manto de carbón. Usando una imagen simplificada de la estabilidad de taludes, explican que en el patrón actual los depósitos internos de desechos se sitúan a través de la inclinación de los estratos subyacentes. Esa geometría tiende a aumentar el ángulo efectivo pendiente abajo que controla el deslizamiento y acorta la posible trayectoria de deslizamiento, haciendo que las pilas de desecho sean más propensas a fallar. En un diseño transversal, los depósitos internos se construyen más en paralelo a la dirección natural de la inclinación. Eso reduce la componente pendiente abajo, alarga la trayectoria de deslizamiento y aumenta las fuerzas de resistencia en la roca y el material. En términos sencillos, la misma cantidad de desecho puede apilarse en formas y direcciones menos propensas a fallar. Esta mejor geometría también ordena el drenaje y hace más regulares los bancos, ambos importantes para la salud de los taludes a largo plazo.

Comparar cuatro propuestas con un sistema de puntuación justo

Los planificadores de la mina diseñan luego cuatro maneras diferentes de dividir el tajo en grandes zonas, cada una con su propia secuencia de avance y de vertido. Cada esquema tiene pros y contras prácticos: algunos priorizan la conveniencia a corto plazo y recorridos de camión más cortos; otros favorecen una vida útil más larga o disposiciones más simples para maquinaria continua a gran escala futura. Para elegir entre ellos, los autores construyen una ficha de evaluación de ocho partes que pondera geología, resistencia de la roca, condiciones hídricas, forma de la superficie, esfuerzo de ingeniería, economía, perturbación ambiental e impactos sociales como la adquisición de tierras. En lugar de confiar en un solo indicador o en una clasificación puramente subjetiva, combinan dos tipos de ponderación: juicio de expertos (Proceso de Jerarquía Analítica) y un método de “entropía” que analiza cuánta información contiene cada indicador. A continuación integran estos factores ponderados en un marco llamado Teoría de la Medida No Asegurada, que maneja números mixtos y valoraciones de expertos y asigna a cada esquema un nivel de confianza de ser “excelente”, “bueno”, “aceptable” o “deficiente”.

El plan ganador y lo que ofrece

Bajo esta evaluación combinada, el segundo esquema destaca con claridad. Reorganiza el área minera original en cuatro amplias zonas transversales, con líneas de trabajo largas pero gestionables y una disposición adecuada para futuros sistemas mineros continuos o semicontinuos como trituradoras y cintas transportadoras dentro del tajo. Esta opción obtiene una puntuación de confianza de alrededor de 0,71 en la categoría superior de “excelente”, significativamente por delante de las demás. A lo largo de su vida, desbloquearía unos 971 millones de toneladas de carbón, con una razón media de barrenado de 5,8 metros cúbicos de roca por tonelada de carbón y una vida útil máxima de más de 34 años. Aunque sus distancias de acarreo internas son mayores en términos absolutos, al repartir los costes entre una producción mayor y más eficiente, sigue ofreciendo el coste por tonelada más bajo y márgenes de seguridad mejorados.

Qué significa esto más allá de una sola mina

Para un público no especializado, el mensaje clave es que la manera en que se divide y trabaja un gran tajo a cielo abierto puede importar tanto como la cantidad de carbón que hay debajo. Al ajustar matemáticamente la longitud del frente de explotación activo y reorientar la mina en zonas transversales que se alineen con la geología, es posible aumentar la producción a la vez que se reducen tanto los residuos como el riesgo. El enfoque del estudio —una lista estructurada de factores técnicos, económicos, ambientales y sociales combinada con un método de puntuación transparente— ofrece una plantilla para otras grandes minas superficiales que afrontan expansión. Sugiere que una planificación cuidadosa puede convertir el crecimiento de capacidad de una apuesta incierta en una senda guiada y más sostenible.

Cita: Wen, Y., Song, Z., Su, Q. et al. Optimization study on transverse mining zoning during the capacity expansion stage of nearly horizontal open-pit coal mines. Sci Rep 16, 3908 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-35908-5

Palabras clave: minería de carbón a cielo abierto, planificación minera, estabilidad de taludes, expansión de capacidad, evaluación multicriterio