VALOR MINERO

Lean Thinking, Six Sigma o TOC ¿Cuál aplicar en el diseño y planeamiento geotécnico de mina?

Como en toda actividad de la ingeniería, la gestión de un sistema en particular es demasiado compleja como para basarse solo en la experiencia o intuición. Esto también ocurre en las diversas tareas productivas que implican la explotación de un yacimiento minero, incluyendo trabajos tales como la perforación, voladura, transporte o el procesamiento. Asimismo se aplica a las diversas áreas de soporte como la logística, los sistemas, el planeamiento o para el caso específico de este estudio, la geotecnia. Dada la creciente complejidad de los procesos relacionados se hace necesario considerar la implementación de metodologías de mejora u optimización para dar respuesta a esos mayores desafíos y competitividad asociada.

Principios de diseño en la ingeniería geotécnica

Seguidamente se describen los principios de diseño de ingeniería de rocas de Bienawsky (1991). Estos principios de diseño no solo son aplicables a la geotecnia sino en general a cualquier actividad de la ingeniería o investigación (Stacey, 2009).

Principio de diseño 1. Claridad en los objetivos del diseño y condicionantes funcionales.

Es necesario identificar con claridad el problema por resolver, tomando en cuenta las restricciones asociadas. Por ejemplo la selección del método de minado y las variables o parámetros de diseño asociados (ángulos interrampas, ancho de berma, ancho de minado, etc.)

Principio de diseño 2. Reducción de la incertidumbre geológica.

En este principio se debe incrementar el conocimiento de las propiedades del macizo rocoso, la hidrogeología o los estados de esfuerzos natural e inducido, por medio de investigación geotécnica de campo.

Principio de diseño 3. Simplicidad de los componentes de diseño.

Este principio está relacionado al análisis e interpretación que se hace con la información recolectada en el principio 2. El primer paso es desarrollar el modelo geotécnico (conceptual) y su probable comportamiento y luego determinar el criterio de diseño (o falla). Si la información es escasa, la incertidumbre se incrementa y la credibilidad de los análisis es menor. A mayor complejidad se hace necesario profundizar en los estudios. No es lo mismo estudiar el comportamiento de una gran excavación subterránea permanente de que el análisis de un talud de roca temporal próxima a ser excavado.

Principio de diseño 4. Comparación con el estado del arte.

Se relaciona a la aplicación de conceptos actualizados y recientemente al uso de nuevas tecnologías (IoT), teniendo en cuenta las especificaciones para soluciones alternativas (por ejemplo la implementación de un radar o de un sistema de monitoreo sísmico).

Principio de diseño 5. Optimización.

Un diseño optimizado resultará de la evaluación de los resultados de diversas alternativas analizadas. El monitoreo durante el progreso del minado facilitará este trabajo.

Principio de diseño 6. Factibilidad constructiva.

Si el diseño no puede ser implementado de manera segura y eficiente no se encuentra optimizado y no es viable. Se hace necesario repetir el proceso parcial o totalmente.

Metodologías de mejora de procesos

Por otro lado existen filosofías, modelos o metodologías de gestión que buscan enfrentar los problemas a los que cualquier actividad productiva o de soporte de la producción se enfrenta. Estos modelos tienen diferentes enfoques e incluyen pautas para su aplicación. Las filosofías o modelos que se tratarán en este texto son la teoría de restricciones (TOC, Theory of constraints), el pensamiento esbelto (Lean Thinking) y el Six Sigma. La descripción de estos modelos se da a continuación.

Teoría de Restricciones (TOC)

La teoría de las restricciones (TOC) es una filosofía de gestión que busca administrar o minimizar el impacto de los cuellos de botella (o restricciones) buscando identificar cuál es la tarea crítica que se debe apoyar de modo que se evite demorar y  perjudicar todo un proceso. Por ejemplo la logística, los recursos humanos calificados, u otros, se convierten en restricciones que pueden limitar el ritmo de producción, la distribución o comercialización de un producto.

Luego de identificada una restricción crítica del proceso se busca maximizar su explotación subordinando otras actividades paralelas a ella, para luego aumentar su capacidad y comenzar nuevamente el proceso de identificación de un cuello de botella. Una restricción típica en minería es el transporte de mineral desde la mina hasta la planta concentradora. En geotecnia puede ser el acceso a labores importantes cerca de terrenos inestables.

Lean Thinking (pensamiento esbelto)

El Lean Thinking se desarrolló en los años 50s por Toyota, como una filosofía de manufactura que identifica al desperdicio (de tiempo, costos, calidad o actividades que no aportan valor) como el principal factor a ser identificado y eliminado para la optimización de un proceso. Dado su origen industrial manufacturero su aplicación a procesos extractivos como la minería no ha sido muy extendido, pero esto ha venido cambiando al identificar oportunidades en que es sí es aplicable.

En cualquier actividad la metodología Lean le da mayor énfasis al trabajo inicial de diseño y planificación para evitar posibles futuras pérdidas por no haber analizado lo suficientemente un problema y no haber optimizado la solución al mismo. En la figura 1 se muestra en general el impacto o influencia del diseño sobre el costo de un producto, pudiendo representar 5% de la inversión inicial pero implicar hasta un 70% del costo final, si es que el diseño no fue óptimo.

Figura 1. Impacto del diseño inicial sobre el costo final de un producto o proceso (Bergsma, 2013)

La figura 2 muestra la comparación entre el tiempo dado a un diseño tradicional respecto al utilizado en un diseño Lean. Al incrementar el tiempo usado en el análisis de procesos iniciales el tiempo total de implementación se reduce.

Figura 2. Reducción del tiempo de diseño del proceso al aplicar metodología Lean (Bergsma, 2013)

Six Sigma (DMAIC, Mejora continua)

Six Sigma es un método optimización de la gestión basado en datos extraídos de procesos que estudia las actividades regulares de las compañías, teniendo como objetivo llevar la calidad a niveles cercanos a la perfección. El nombre de Six Sigma proviene de la disminución de la variabilidad de un producto a 3.4 errores por millón de productos y busca corregir problemas antes de que aparezcan.

A la metodología Six Sigma también se le conoce como DMAIC, por las palabras en inglés de Define, Measure, Analyze, Improve y Control, o en castellano, definir, medir, analizar, mejorar y controlar. Estas son las cinco fases que se aplican en cada proceso analizado y son descritas seguidamente. Asimismo, la figura 3 muestra el esquema del trabajo DMAIC o Six Sigma.

Figura 3. Esquema del trabajo DMAIC o Six Sigma (Valerdi, 2013)

Definir: se determina que proceso o procesos serán evaluados, incluyendo al equipo de trabajo y los objetivos de la mejora.

Medir: es la cuantificación de la evaluación del proceso tal como se presenta. Es importante conocer su estado y problemática actual.

Analizar: se estudian e interpretan las mediciones efectuadas, identificándose tendencias, faltas, errores, etc. En esta etapa se puede hallar las causas del problema.

Mejorar: se ejecutan las acciones necesarias para mejorar el proceso.

Control: se aplican las medidas que le den eficacia y continuidad al proceso.

En general la metodología Six Sigma se basa en la toma de datos e interpretación y utiliza los gráficos mostrados en la figura 4, denominados las herramientas de control del proceso.

Figura 4. Las 7 herramientas de control del proceso

Diferencias entre Lean Thinking, Six Sigma y TOC

En general las metodologías de optimización no están en competencia sino se complementan, de acuerdo a los requerimientos que tenga una empresa por mejorar sus procesos y las etapas en que se encuentren las actividades por mejorar. Hay que tener en cuenta las definiciones de productividad para ubicar mejor la idoneidad de determinados métodos. La aplicación del TOC y el Lean se dan mejor dentro del proceso y se centran en mejorar la eficiencia. El Lean es más útil al inicio de un proyecto. El Six Sigma en la salida del mismo, orientado a la eficacia, como se ve en la siguiente figura 5.

Figura 5. El proceso productivo y ubicación de las metodologías de mejora

¿Cuál de las tres opciones se debería elegir? La tabla 1 puede ayudar a esta decisión, sin embargo depende del proceso o producto generado y del problema o problemas encontrads que se pueda aplicar una o más de las metodologías.

Tabla 1 Comparación de metodologías de mejora de procesos

Elaborado de D'Alessio, (2004)

Por otro lado, teniendo en cuenta el tema de la rentabilidad, no puede priorizarse ninguna de las dos áreas de proceso o salida, como se ve en la figura 6. Las actividades y su problemática deben priorizarse y determinar dónde es necesario mejorar.

Figura 6. La rentabilidad de un proceso respecto a la eficiencia del mismo o a la eficacia de salida (Mouzas, 2006)

Problemas en geotecnia de mina donde es posible aplicar metodologías de optimización y mejora continua

En general los principios de diseño de ingeniería de roca mencionados inicialmente se asocian directamente en diversa a escala a las metodologías de optimización de los procesos o resultados esperados. La tabla 2 siguiente muestra dónde podrían encajar los principios respecto a la metodología por emplear.

Tabla 2. Aplicación de metodologías de optimización o mejora respecto a los principios de la ingeniería de rocas de Bieniawski (1991)

Las siguientes son fotografías de accidentes relacionados a la geotecnia. El objetivo de este texto es mostrarlos como ejemplos de lo que podría haber sido previsto para evitarlos teniendo en consideración las metodologías de optimización descritas.

Figura 7. Deslizamiento de suelo y marga. Se muestran equipos afectados, 2002

Figura 8. Galería afectada por estallido de roca. La altura de la labor quedó en 1 m, 1991

Figura 9. Derrumbe de talud. La rampa e infraestructura sobre él fueron afectadas, 2004

Caso de aplicación de la Teoría de restricciones (TOC) en el diseño geotécnico de mina

Al realizar un proyecto minero se toma información sobre el tipo de roca y sus propiedades. En la figura 10 se muestra un corte con diferentes sondajes diamantinos y el RQD (Rock Quality Designation) asociado. Como se puede observar algunos taladros muestran decenas de metros en un material cuyo RQD es de cero, pudiendo ser zonas de roca altamente fragmentada o zonas de falla. En este caso la restricción para el desarrollo del minado es la debilidad de la roca en determinados sectores del yacimiento.

Figura 10. Corte longitudinal de un proyecto. Los cuadros mostrados representan el ploteo del RQD. Se observan zonas con muy baja calidad de roca.

Este tipo de roca aun por clasificar puede dar un modelo geotécnico  conceptual en que el macizo rocoso se presenta muy débil con un probable GSI (Geological Strength Index) muy bajo. La figura 11 muestra una relación entre GSI y la resistencia del macizo rocoso (Karzulovic, 2001). Como el RQD está directamente relacionado a este último se puede interpretar que en ciertas zonas de la futura explotación minera se podrá disminuir el uso de perforación y voladura o reemplazarlo por una excavación mecanizada. La fotografía 12 muestra el resultado de esta consideración que pudo hacerse durante las fases iniciales del proyecto, dando una mejor estimación del costo de la explotación.

Figura 11. Valores de GSI (clasificación geomecánica) respecto a la resistencia del macizo rocoso (Karzulovic, 2001)

Figura 12. Zona identificada como de bajo GSI (clasificación geomecánica) que ha podido ser explotada sin perforación ni voladura.

Caso de aplicación del Lean Thinking en el diseño geotécnico de mina

El diseño geotécnico de una mina superficial depende de la información relacionada al tipo de roca, siendo un parámetro importante en ese diseño el ángulo interrampas (IRA) o el ángulo total del talud (OSA). Una menor información y análisis puede dar valores muy conservadores de estos ángulos lo que afecta directamente a la viabilidad del proyecto. También puede darse el caso contrario en que se asumen ángulos que no van a poder mantener los taludes estables durante la explotación. Dar más tiempo al estudio geotécnico permite evitar costosas inversiones en movimiento de tierras no calculadas o generar desprendimientos o deslizamientos no previstos en la etapa de diseño o determinar las medidas necesarias para prevenir posibles fallas (voladura controlada, bermas de control, etc.). Las figura 13 por ejemplo muestra que una variación de 3° puede generar un minado adicional de millones de toneladas o dejar mineral si es que estos procesos no se aplican (Dunn, 2013).

Figura 13. Minado adicional innecesario o pérdida de mineral ante una variación del ángulo interrampas (Dunn, 2013)

Un mejor análisis bidimensional puede ser apoyado por simulaciones de cortes de la roca caracterizada. La figura 14 muestra por ejemplo una para la estimación de la estabilidad de un talud profundo.

Figura 14. Simulación de un talud profundo antes de ser explotado.

Caso de aplicación de Six Sigma en el diseño geotécnico de mina

Tal como se indica en el texto, el Six Sigma se aplica a procesos para mejorar su resultado de manera continua. Esto se aplica en geotecnia de mina a yacimientos que vienen siendo explotados y que deben mejorar su performance. Por ejemplo la presencia de estallidos de roca en minas profundas debe trabajarse con cuidado para determinar que solución tomar (instalación de sistema de control sísmico, cambio de método de minado, optimización de la voladura, etc.). La figura 15 muestra un ejemplo de análisis de Ishikawa para problemas de estabilidad de mina que afectaba tanto la seguridad como la productividad de la misma.

Figura 15. Diagrama de causa efecto (Ishikawa) para determinar el origen de la inestabilidad de una mina subterránea.

Implementando un sistema de control y dimensionando las excavaciones de explotación puedo reducirse la sismicidad de mina (estallidos de roca), generando una operación más segura y viable. La figura 16 muestra el disloque de taladros de producción asociado a la alta concentración de esfuerzos en el lugar.

Figura 16. Taladro de producción dislocado por altos esfuerzos en el macizo rocoso.

Como alternativa de control en este caso la figura 17 ilustra sobre una simulación de esfuerzos tridimensional usado para una cámara subterránea de grandes proporciones en un tipo de roca con alta concentración de esfuerzos.

Figura 17. Simulación geotécnica de control de una cámara subterránea a profundidad.

Comentarios

Como se ha observado los principios de diseño de la ingeniería geotécnica pueden ser apoyados por las metodologías de mejora existentes en la actualidad. Aunque ya se puede decir que estas filosofías eran aplicadas de manera empírica, no lo han venido haciendo de manera sistemática y continua. Hay que tener en cuenta que los métodos de mejora mostrados en este texto no pueden eliminar por si solos todos los problemas que pudieran encontrarse, en algunos casos es necesario integrarlos. Las herramientas mostradas se aplican para diversas situaciones existentes en los proyectos u operaciones mineras, el TOC para administrar restricciones, el Lean Thinking para evitar pérdidas y el Six Sigma para mejorar procesos ya existentes.

Referencias

Bergsma, B. (2013). Lean Design Overview. Raytheon Missile Systems, University of Arizona.

Bieniawski, Z. (1991). In search of a design methodology for rock mechanics. Rock Mechanics as a Multidisciplinary Science (pp. 1027–1036). 32nd U S Symp. on Rock Mech., Roegiers (ed.), Balkema.

D'Alessio, F. (2004). Administración y dirección de la producción: enfoque estratégico y de calidad. Mexico D.F.: Pearson Educación.

Dunn, M. (2013). The cost of uncertainty in Geotechnical Design and Implementation. Adelaide, Australia: SRK Consulting.

Karzulovic, A. (2001). Tronadura & Geomecánica, hacia la optimización del negocio minero. 5to. Seminario Dyno Nobel. Antofagasta.

Mouzas, S. (2006). Efficiency vs. effectiveness in business networks. Journal of Business Research, 59, 1124 –1132.

Stacey, T. R. (2009, Marzo). Design – A strategic issue. The Journal of The Southern African Institute of Mining and Metallurgy, 109.

Valerdi, R. (2013). Cost Estimation course. University of Arizona.