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LA MINA DEL FUTURO: LAS 5S PARA LA INNOVACIÓN EN LA INDUSTRIA MINERA

Por: Nieto, Antonio, Ph.D., Profesor y Catedrático de Recursos y Reservas Minerales, Escuela de Ingeniería de Minas, Universidad de Witwatersrand. Director de Tecnología e Innovación, Industrias Peñoles, México.


Resumen

El modelo de innovación que se presenta a continuación busca definir las condiciones operacionales definitivas a las que se enfrentará la industria minera en un futuro próximo. El modelo está diseñado para ser consistente con cualquier tipo de método o producto minero que se extraiga, como la minería metálica frente a la no metálica, la minería subterránea frente a la superficial y la minería de roca blanda frente a la de roca dura. 

Las condiciones operacionales se definen cuidadosamente para considerar las tecnologías actuales y futuras cuyo desarrollo es fundamental en la actualidad para seguir siendo competitivas en las próximas décadas. El modelo define cinco factores de innovación basados en cinco condiciones operacionales clave del futuro: (1) lograr una máxima seguridad, (2) simplificar los sistemas, (3) utilizar sistemas inteligentes, (4) diseñar operaciones sigilosas y (5) seguir una estrategia sostenible. 

El modelo se centra en cada uno de estos cinco factores para trazar un mapa de las posibles tecnologías y métodos que deben desarrollarse hoy en día para lograr las condiciones operacionales definitivas necesarias en la "mina del futuro". Es el resultado de años de investigación, enseñanza y consultoría para la industria minera y puede servir de base para una hoja de ruta de innovación para la industria minera en general. 

Introducción

En la actualidad, y más que nunca, las industrias orientadas a la producción, como la minería, se ven fácilmente afectadas por los cambios tecnológicos que pueden dar lugar a una rápida pérdida de competitividad. Es por ello, que el desarrollo continuo de tecnología e innovación aplicada es esencial en cualquier industria, incluida la minera, para seguir siendo competente y competitiva durante la próxima década. Para que la industria minera sobreviva, la innovación en la actualidad es crucial para mantener altos niveles de crecimiento, productividad y sostenibilidad.

Desafíos tecnológicos a nivel mundial

En 2017, la Academia Nacional de Ingeniería de los Estados Unidos (NAE, 2018) publicó los resultados de un estudio que buscaba identificar los desafíos tecnológicos que enfrentaremos en el futuro a nivel mundial. El estudio de la NAE identificó diversos retos tecnológicos importantes y los clasificó en catorce grandes áreas, como se muestra en la Figura 1. Los desafíos de ingeniería que se presentan en el informe sirvieron como guía inicial para definir los posibles retos que la industria minera enfrentará en los próximos años, como la ingeniería y el desarrollo de tecnologías vinculadas a la energía, el agua, la salud y la seguridad, lo que ayudó a confirmar el modelo de innovación que se explica en este artículo.

Aunque el informe de la NAE identificó claramente los principales desafíos de la ingeniería del futuro, no consideró un reto adicional muy importante que nuestra sociedad afrontará sin duda durante las próximas décadas: el suministro sostenible de materias primas, como lo son los minerales. Sin estos, no se puede desarrollar ninguna nueva tecnología, ni ahora ni en el futuro.

Los minerales se utilizan de manera intensiva en las industrias incluidas en el informe de la NAE, como las de construcción, equipos, energía y comunicaciones, y en muchas industrias de alta tecnología, como las de robótica, aeroespacial y electrónica, etc. De este modo, los minerales se usan prácticamente en todos los sectores estratégicos mencionados en el reporte. 

La Figura 2 muestra una clasificación alternativa de los desafíos tecnológicos. Los grandes retos fundamentales se organizan en cinco grupos, o factores tecnológicos, a los que la industria actual deberá enfrentarse y para los que debe prepararse durante las próximas décadas.

La industria está experimentando actualmente una enorme transformación tecnológica. Con el rápido avance de la tecnología, cualquier sector puede ser víctima de cambios repentinos y disruptivos, que pueden dejar obsoleta a cualquier empresa en pocos años. Para sobrevivir durante el siglo XXI, la industria minera necesita tomar en serio la innovación y considerarla un elemento integral del plan de negocios de cualquier compañía.

Por ello, es imperativo que el sector minero tenga una idea clara de la tecnología que se necesitará en el futuro y se prepare desde hoy con una estrategia concreta para la innovación, que debe aplicarse en todos los aspectos y en todos los niveles del plan de crecimiento de una empresa.

Tal como se ha evidenciado en las últimas décadas, compañías bien establecidas como Kodak, de la industria fotográfica, Blackberry, del sector de las comunicaciones, y Blockbuster, en los medios de comunicación, perdieron muy rápidamente su relevancia en el mercado al no reconocer la dinámica de las nuevas tecnologías emergentes. La falta de una estrategia moderna y clara para la innovación y la ausencia de una hoja de ruta tecnológica dentro de sus modelos de negocios corporativos contribuyeron a su repentina pérdida de relevancia en el mercado y al eventual colapso.

Elaborar una estrategia para la innovación y una hoja de ruta tecnológica para la industria minera no es tarea fácil. Las operaciones varían considerablemente en cuanto a los métodos de extracción utilizados y al commodity que se extrae, y se enfrentan a retos operativos muy diversos que requieren tecnologías diferentes. De ahí la motivación que impulsa a desarrollar un modelo básico de innovación minera, el cual se presenta aquí, y que se espera pueda servir como un modelo inicial de referencia en materia de estrategias para la innovación.

El concepto de innovación aplicada

La definición estándar de innovación es "el uso de mejores soluciones que satisfagan nuevas necesidades". Este concepto puede ampliarse en el contexto de innovación aplicada dentro de una empresa como "el resultado de actividades o funciones encaminadas a traducir una idea o un invento para mejorar un bien o un servicio que cree valor".

Las actividades o funciones de innovación pueden ser muchas, sin embargo, cuando se diseña un modelo para la industria minera, la fórmula de innovación contemplada se basa en un concepto sencillo: la formación, transferencia y mejora de la información o los conocimientos (k).

La primera función del conocimiento es la creación y transferencia de información de un individuo a otro, así como de una generación a otra, que es la creación y preservación de información a través del tiempo (t). La segunda función es la mejora del conocimiento adquirido, que consiste en aumentar o mejorar la información existente o el statu quo. La tercera función es la aplicación de los conocimientos mejorados para perfeccionar un sistema (s), un servicio (v) o un producto (p).

([Creación (k) + Transferencia (k)] + Mejora (k) + Aplicación (k) × t = Innovación (s,v,p) 

La Figura 3 ilustra una ecuación simplificada de innovación basada en el conocimiento (Nieto, 2019).

El modelo de innovación minera

Como se ha mencionado anteriormente, este artículo tiene por objeto presentar un modelo claro e integral de innovación minera que pueda aplicarse a cualquier tipo de operación, independientemente del método de extracción utilizado o del commodity que se extraiga.

El modelo está diseñado para señalar claramente cuáles son aquellas tecnologías clave que deben considerarse en la actualidad en base a cinco condiciones operacionales definitivas (factores para la innovación) que serán fundamentales en la industria minera del futuro. Como se muestra en la Figura 4, las cinco condiciones operacionales son: (1) lograr una máxima seguridad, (2) simplificar los sistemas, (3) utilizar soluciones inteligentes, (4) diseñar operaciones sigilosas y (5) seguir una estrategia sostenible. Por lo tanto, estos cinco factores para la innovación son denominadores comunes a cualquier unidad minera, independientemente de su naturaleza operacional actual y futura.

Los cinco factores impulsores para la innovación han sido cuidadosamente establecidos como resultado de varios años de enseñanza, investigación y consultoría para la industria y han sido seleccionados minuciosamente para ser aplicables a cualquier tipo de operación: metálica o no metálica, subterránea o superficial y minería de roca blanda o dura.

Se prevé, por tanto, que el modelo de innovación presentado en este artículo pueda servir de guía inicial para que la industria minera identifique las tecnologías que deben abordarse hoy para cumplir de forma definitiva con las cinco condiciones necesarias para operar eficazmente la "mina del futuro".

Condiciones/factores operativos definitivos para la innovación en minería

Seguro

La primera condición operacional que toda industria, incluida la minera, debe alcanzar es la seguridad total. El modelo de innovación que se presenta aquí propone el uso de la tecnología para lograr una máxima seguridad. Esto se alcanza creando políticas innovadoras que ayuden a lograr una condición operacional definitiva en lo que respecta a seguridad. La mina del futuro tendrá una política muy estricta de cero accidentes/incidentes. Las fatalidades serán un evento extremamente inusual debido, sobre todo, a la capacitación en realidad virtual y realidad aumentada, al uso de equipos operados a distancia y a una tecnología avanzada de automatización inteligente, como se describe en la sección denominada Smart.

La mina del futuro no solo tendrá como objetivo reducir el número de accidentes e incidentes mediante tecnologías avanzadas, sino que también invertirá en el uso de tecnología de biosensores no invasiva para vigilar de manera continua la salud y la seguridad de cada trabajador para mantener e incluso mejorar la salud de todos los empleados. Mediante el uso de sensores inteligentes e inteligencia artificial para evaluar continuamente la salud del personal y los niveles de estrés y, cuando sea necesario, promover dietas más saludables, rutinas de ejercicio, meditación, e incluso, sugerir un merecido descanso de sus rutinas, es decir, la mina del futuro se comprometerá a mejorar el bienestar de sus empleados.

Los siguientes son ejemplos de tecnologías relacionadas con la creación de una condición operacional totalmente segura:

ν Aplicaciones de realidad virtual (RV) en capacitación y mantenimiento.

ν Aplicaciones de realidad aumentada (RA) en capacitación y mantenimiento.

ν Sensores de control terrestre en tiempo real.

ν Comunicaciones por tierra.

ν Perforación rápida de pozos.

ν Seguimiento y monitoreo en tiempo real.

ν Sistemas automatizados inteligentes.

ν Sistemas operados a distancia.

ν Mapeo y seguimiento subterráneo en tiempo real.

ν Tecnología para la detección de la fatiga.

ν Control de las vibraciones en los vehículos operados por humanos.

ν Aplicación de biosensores para el control de la salud en tiempo real.

Simple

La simplicidad es la segunda condición operacional a alcanzar en la mina del futuro. El modelo de innovación propone una estrategia de simplificación cuando se plantea el desarrollo y la adopción de nuevas tecnologías. En ese sentido, promueve la "innovación por simplificación" frente a la innovación por complejidad. Así pues, esta característica es un factor clave a la hora de diseñar la mina del futuro, buscando la simplificación en todos los niveles del sistema minero. 

Una tecnología clave en este proceso es la adopción de una estrategia de sistema modular. Las operaciones modulares en la minería, en lo que respecta a la capacidad de producción, son una importante estrategia impulsada por la tecnología que puede permitir que cualquier unidad minera se adapte rápidamente a los cambios repentinos del mercado que muy a menudo empujan a una operación a reducir o aumentar su capacidad de producción, sin incurrir en importantes gastos de capital y costos operativos. Por lo tanto, los sistemas modulares son un excelente enfoque operativo para adaptar la producción a medida que el sistema minero madura durante las etapas de desarrollo, así como durante la extracción del recurso mineral.

La innovación tecnológica es, en efecto, una excelente estrategia que puede aportar soluciones a problemas complejos; sin embargo, si no se tiene cuidado, las nuevas soluciones pueden dar lugar a sistemas aún más complejos que, a la larga, traerán consigo problemas aún más complicados. La complejidad traerá inevitablemente más sistemas y subsistemas, por lo tanto, más incertidumbre y más riesgos, lo que eventualmente resultará en mayores costos. La innovación por simplificación es clave para evitar una complejidad no deseada a la hora de resolver problemas o mejorar productos o sistemas.

Algunos de los sistemas de gestión operacional más comunes que emplea la industria en la actualidad se dedican a identificar las limitaciones de producción, a minimizar las variaciones y a simplificar (Stamm et al., 2019). A continuación se exponen algunos ejemplos de tecnología y métodos de innovación que tienen que ver con la creación de una condición operacional simplificada:

ν Control total de calidad y gestión total de calidad.

ν Agile, sistema de optimización y control de proyectos.

ν Stage-Gate, gestión de proyectos.

ν Mantenimiento productivo total.

ν Teoría de las restricciones.

ν Producción esbelta.

ν Seis sigma.

ν Sistemas modulares de minería.

Smart

Después de la seguridad y la simplificación, la tercera condición operacional definitiva en la mina del futuro es alcanzar la máxima productividad. En este caso, se trata de una productividad al más alto nivel posible utilizando tecnología inteligente y autónoma.

En la actualidad, el proceso de transformación tecnológica avanza con tanta rapidez que es difícil para cualquier industria anticipar una posible pérdida de competitividad debido a la adopción de nuevas tecnologías, con la posibilidad inminente de caer repentinamente víctima de la disrupción tecnológica. En todo el mundo, la industria se enfrenta a una enorme transformación tecnológica: la Cuarta Revolución Industrial (RI4).

La RI4 consiste en una serie de tendencias tecnológicas avanzadas como la automatización, el análisis de Big Data, la inteligencia artificial, Machine Learning, la realidad virtual y aumentada, la impresión en 3D, entre otras tecnologías (Galantucci et al., 2019). La RI4 es una realidad, está sucediendo y transformará radicalmente la forma en que la industria piensa y opera. Un cambio tan radical requiere que en una sola generación se disponga de un conjunto completamente nuevo de habilidades y competencias que no existen hoy en día.

Hay varias tecnologías avanzadas de la RI4 que, de hecho, transformarán la industria para siempre. Sin embargo, vale la pena mencionar dos de ellas para lograr una condición operacional inteligente en la mina del futuro: automatización inteligente y análisis de datos inteligentes.

La automatización inteligente, que se basa en gran medida en la tecnología sensorial en tiempo real, la robótica avanzada y, por supuesto, la inteligencia artificial, es el siguiente paso evolutivo en la automatización. Los equipos automatizados del futuro irán más allá de la operación autónoma, aunque también lo harán adaptándose a condiciones variables, e incluso colaborando con otros equipos o sistemas autónomos inteligentes. 

Esta nueva tecnología autónoma colaborativa dará como resultado sistemas increíblemente inteligentes y eficientes que requerirán una mínima intervención humana. Para la minería, esto es probablemente una buena noticia; actualmente, el sector se enfrenta a nuevos desafíos operativos para la extracción de minerales en entornos de gran dificultad, la mayoría de las veces en condiciones peligrosas para los seres humanos.

El análisis de datos inteligentes es el siguiente paso en el desarrollo de algoritmos para el tratamiento de data que no solo clasificará, organizará y filtrará la información sino que también manejará los datos en diferentes formas, sacarán conclusiones y proporcionarán respuestas y soluciones a problemas que a veces pasan desapercibidos. El análisis de datos inteligentes identificará los problemas potenciales antes de que ocurran y proporcionará posibles soluciones.

A continuación se presentan algunos ejemplos de tecnologías utilizadas para crear una condición operacional inteligente:

ν Sensores integrados.

ν Internet de las cosas.

ν Análisis de Big Data.

ν Machine Learning.

ν Inteligencia artificial

ν Tecnología Blockchain.

ν Redes de datos en tiempo real.

ν Tecnología de equipos a batería.

Sigiloso

La minería sigilosa es la cuarta condición operacional en la mina del futuro. Durante la vida útil de una operación minera, se generan grandes huellas (Sinha, 2019). Si se aplica una estrategia de innovación eficaz, estas improntas pueden reducirse considerablemente. Los métodos innovadores de explotación minera y los nuevos equipos ayudarán a alcanzar una reducción al mínimo de la huella, es decir, una condición operacional "sigilosa". La minimización de la impronta llevará inevitablemente a las operaciones hacia el uso de métodos de minería subterráneos en lugar de los superficiales. Lo más probable es que la mina del futuro sea subterránea y esté muy automatizada o sea teledirigida.

En comparación con las elevadas tasas de producción que se observan habitualmente en las operaciones superficiales, la clave para lograr altas tasas de producción en un entorno subterráneo será cumplir con las tres condiciones mencionadas anteriormente: seguridad, simplificación y tecnología inteligente, así como el desarrollo y la aplicación de nuevas estrategias de extracción y procesamiento subterráneos. El fomento de una mínima manipulación del material en la recuperación y el procesamiento del mineral es una de esas estrategias.

La evolución de la mina del futuro para convertirse en una operación subterránea sigilosa consiste en tres fases tecnológicas. La primera es la automatización total del transporte del mineral desde el socavón hasta la planta de procesamiento situada en la superficie. La segunda etapa es gestionar la voladura, el procesamiento y la recuperación del mineral, todo de forma subterránea. La tercera fase consiste en utilizar métodos avanzados de recuperación in situ que permitirán lixiviar el contenido de mineral directamente de la roca encajonante sin necesidad de utilizar los métodos tradicionales de voladura y procesamiento.

La minería subterránea avanzada por hundimiento es también un enfoque prometedor en cuanto a la capacidad de explotación de minas a gran escala. En la actualidad se está desarrollando una nueva tecnología de monitoreo de hundimientos que ayudará a rastrear en tiempo real el flujo de hundimientos a medida que se extrae el material (Chitombo, 2018).

La minería a tajo abierto no desaparecerá por completo en el futuro. La industria minera seguirá utilizándola durante varios años; sin embargo, los métodos de operación superficial del futuro tendrán que evolucionar drásticamente, pasando de la excavación de enormes tajos abiertos a zanjas temporales, explotadas por equipos totalmente autónomos. Estas zanjas, una vez explotadas, se rellenarán inmediatamente y se recuperarán totalmente para evitar huellas mineras masivas que, de otro modo, pueden durar varios decenios cuando se utilizan los métodos de explotación minera habituales.

A continuación, se presentan algunos ejemplos de tecnología y métodos de innovación utilizados para crear una condición operacional sigilosa:

ν Métodos de recuperación In Line.

ν Métodos de recuperación In Mine.

ν Métodos de recuperación In Situ.

ν Minería secuencial a cielo abierto y de relleno.

ν Minería avanzada por hundimiento: monitoreo subterráneo en tiempo real.

ν Sistemas modulares de minería.

Sostenible

La sostenibilidad es la quinta condición en la mina del futuro y puede definirse como aquella condición operacional definitiva en la que un sistema minero es autosuficiente en cuanto a los recursos que necesita para funcionar. La mina del futuro utilizará solo energía renovable y reducirá el uso de agua al mínimo, utilizando sistemas de reciclaje muy avanzados y sistemas sensoriales continuos con descarga cero.

Una condición de sostenibilidad en la minería también promueve el desarrollo social y económico de la región en la que opera la unidad minera. Debe promover el desarrollo económico durante y después de las operaciones y debe abarcar plenamente la preservación y el mejoramiento total del ecosistema local. Una condición sostenible en la mina del futuro también considera la primera condición descrita en este modelo: seguridad total.

En este caso, el modelo promueve la sostenibilidad a través de la innovación, la cual fomenta la sostenibilidad mediante la aplicación de tecnologías para ayudar a optimizar el uso de los recursos y promueve el desarrollo económico regional, manteniendo y mejorando los ecosistemas locales.

A continuación se presentan algunos ejemplos de métodos y tecnología relacionados con la creación de una condición operacional sostenible:

ν Uso de recursos energéticos renovables.

ν Sistemas de agua reciclable.

ν Sistemas sin agua.

ν Sistemas avanzados que ahorran energía.

ν Asumir plenamente la responsabilidad social.

ν Desarrollo socioeconómico.

ν Participación de la comunidad en el modelo de negocio.

Conclusiones: el modelo

Actualmente, la innovación es una estrategia de supervivencia clave para mantener altos niveles de crecimiento, productividad y sostenibilidad en cualquier industria. Para seguir siendo relevante y sobrevivir al nuevo paradigma de una evolución tecnológica sumamente rápida, o incluso de una disrupción tecnológica, es crucial definir desde ya un modelo de innovación para la industria minera del futuro. 

El modelo de innovación minera propuesto está diseñado en función de las condiciones operacionales fundamentales que se espera sean críticas en cualquier operación minera del futuro. Igualmente, es específico para la minería y también está concebido para que sea coherente e independiente de cualquier tipo de método o producto minero que se extraiga, como la explotación metálica frente a la no metálica, la subterránea frente a la superficial y la de roca blanda frente a la de roca dura.

El modelo define cinco condiciones operacionales clave que son los factores que impulsan la innovación: (1) lograr una máxima seguridad, (2) simplificar los sistemas, (3) utilizar sistemas inteligentes, (4) diseñar operaciones sigilosas y (5) seguir una estrategia sostenible. El modelo de innovación presentado en este artículo puede servir de guía inicial para que la industria minera identifique las tecnologías que deben abordarse actualmente y generar un Roadmap tecnológico como el mostrado en la Figura 4, para cumplir de forma definitiva con las cinco condiciones operacionales necesarias para operar eficazmente la "mina del futuro".

Lecturas recomendadas

National Academy of Engineering. 2018. Informe «Grand Challenges of Engineering», National Academy of Sciences n nombre de la National Academy of Engineering, página web: http://www.engineeringchallenges.org/

Nieto, A. 2019. Notas de investigación, Escuela de Ingeniería de Minas, Universidad de Wits, Johannesburgo, SA.

Galantucci, Luigi & Guerra, Maria & Dassisti, Michele & Lavecchia, Fulvio. 2019. Additive Manufacturing: New Trends in the 4th Industrial Revolution. 10.1007/978-3-030-18180-2_12.

Stamm, L, Markus & Neitzert, Thomas & P K Singh, Darius. 2019. TQM, TPM, TOC, Lean and Six Sigma – Evolution of manufacturing methodologies under the paradigm shift from Taylorism/Fordism to Toyotism?

Sinha, S., Chakraborty, S. & Shome, D. Arab J Geosci. 2019. Mining footprint: a spatial indicator of environmental quality—a case study of a manganese mine in Bhandara district, Maharashtra. 12: 96. https://doi.org/10.1007/s12517-019-4260-0

Chitombo, G. 2018. Cave Mining 2040: Advancing Cave Mining to Meet Future Needs, Austmine Limited, Lunes, 2 de julio de 2018, Categorías: Artículos y Editoriales.

Nieto, A. 2010. Key deposit indicators (KDI) and key mining method indicators (KMI) in underground mining method selection, 2010 Transactions of the Society for Mining, Metallurgy and Engineering, Inc., Littleton, Co, vol. 328, pp. 381-396.

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