Novasinergia 2025, 8(1), 33-51. https://doi.org/10.37135/ns.01.15.09 http://novasinergia.unach.edu.ec
Artículo de Investigación
Optimización del diseño de talud en minería superficial mediante el
método de elementos finitos
Optimization of the slope design in surface mining using the finite element method
Pamela Patricia Catari Colque1, Christ Jesus Barriga Paria1, Carmen Rosa Villanueva Ari1,
Juan Mauricio Gomez Velasquez1, Helaman Luis Alvarado Ramirez1, Dalila Rosmeri Melgar
Raymundo1, Emily Adriana Chirinos Quintanilla1
1Universidad Nacional de Moquegua, Moquegua, Perú, 18001;
2016103053@unam.edu.pe; cbarrigap@unam.edu.pe; 2020103032@unam.edu.pe; 2020103067@unam.edu.pe;
2021103031@unam.edu.pe; 2020103078@unam.edu.pe
*Correspondencia: 2020103023@unam.edu.pe
Citación: Catari, P.; Barriga, C.;
Villanueva, C.; Gomez, J.;
Alvarado, H.; Melgar, D. &
Chirinos, E., (2025).
Optimización del diseño de
talud en minería superficial
mediante el método de
elementos finitos. Novasinergia.
8(1). 33-51.
https://doi.org/10.37135/ns.01.
15.09
Recibido: 09 octubre 2024
Aceptado: 05 noviembre 2024
Publicado: 08 enero 2025
Novasinergia
ISSN: 2631-2654
Resumen: El objetivo de este estudio es desarrollar un diseño final para el Talud
Noroeste de la Mina Cuajone (Perú) utilizando el cálculo del factor de seguridad
(FS) mediante métodos de elementos finitos, planteando que este método permite
una evaluación más precisa de la estabilidad del talud. La metodología incluyo la
caracterización geológica y geotécnica del talud mediante mapeo de campo, análisis
de muestras y pruebas de laboratorio. Se creo un modelo tridimensional usando el
software Phase2 para simular la interacción entre la geometría del talud y las
condiciones operativas, realizando un análisis de estabilidad bajo diferentes cargas
y perturbaciones. Los resultados indican que el método de elementos finitos
proporciono una evaluación detallada del factor de seguridad y del ángulo
interrampa (IRA). En la zona sur (sección A-A'), se determina que un IRA de 43°
genera un FS de 1.1. En la zona norte (sección B-B'), se recomienda un IRA de 38°
para lograr un FS de 1.57. Los hallazgos son fundamentales para garantizar la
seguridad y eficiencia operativa en la mina, ya que un diseño de talud inadecuado
podría comprometer la integridad de la infraestructura y la seguridad de los
trabajadores. La aplicación de métodos avanzados como el análisis de elementos
finitos y la consideración de factores como el IRA y el factor de perturbación permite
una evaluación precisa de la estabilidad del talud y la implementación de medidas
de estabilización efectivas para gestionar los riesgos y desarrollar soluciones de
refuerzo específicas según la configuración geotécnica del talud.
Palabras clave: Elementos finitos, Estabilidad de taludes, Tajo abierto, Phase2,
Seguridad operacional.
Copyright: 2025 derechos
otorgados por los autores a
Novasinergia.
Este es un artículo de acceso abierto
distribuido bajo los términos y
condiciones de una licencia de
Creative Commons Attribution
(CC BY NC).
(http://creativecommons.org/licens
es/by-nc/4.0/).
Abstract: This study aims to develop a final design for the Northwest Slope of the Cuajone
Mine (Peru) by calculating the factor of safety (FS) using finite element methods, proposing
that this method enables a more accurate assessment of slope stability. The methodology
included geological and geotechnical characterization of the slope through field mapping,
sample analysis, and laboratory testing. A three-dimensional model was created using
Phase2 software to simulate the interaction between slope geometry and operational
conditions, conducting a stability analysis under different loads and disturbances. The
results indicate that the finite element method detailedly evaluated the safety factor and the
inter-ramp angle (IRA). In the southern zone (section A-A'), it was determined that an IRA
of 43° generates an FS of 1.1. In the northern zone (section B-B'), an IRA of 38° is
recommended to achieve an FS of 1.57. These findings are essential for ensuring operational
safety and efficiency at the mine, as an inadequate slope design could compromise
infrastructure integrity and worker safety. Advanced methods, such as finite element
analysis and considering factors like IRA and disturbance factors, allow for a precise slope
stability assessment and effective stabilization measures to manage risks and develop specific
reinforcement solutions according to the slope's geotechnical configuration.
Keywords: Finite elements, Slope stability, Open pit, Phase 2, Operational safety.
Novasinergia 2025, 8(1), 33-51 34
1. Introducción
La estabilidad de taludes en minas a cielo abierto es una preocupación crítica para la
seguridad, la eficiencia operativa y la viabilidad económica de las operaciones mineras. A
lo largo de los años, diversos métodos fueron desarrollados y aplicados para evaluar y
garantizar la estabilidad de estos taludes. Entre ellos, el método de equilibrio límite ha sido
ampliamente utilizado debido a su simplicidad y efectividad en diferentes contextos
geotécnicos, como se demostró en el caso de la Mina de Oro Tanjianshan, donde se verificó
la eficacia de este método para analizar taludes heterogéneos (Zhao et al., 2023). Sin
embargo, este enfoque presentó limitaciones significativas al no considerar adecuadamente
la complejidad geométrica y la heterogeneidad del terreno. En contraste, métodos más
avanzados como el análisis del método de elementos finitos (MEF) han ganado popularidad
por su capacidad de proporcionar una comprensión detallada del comportamiento de los
taludes bajo diversas condiciones. Estudios mostraron que el MEF podía manejar la
variabilidad en la geometría del talud y las propiedades del suelo, ofreciendo una
evaluación más precisa del factor de seguridad y de las superficies de deslizamiento críticas
(Ancuța et al., 2022). A pesar de esto, la aplicación de MEF no está exenta de desafíos,
especialmente en términos de la necesidad de datos detallados y de una mayor capacidad
computacional.
La optimización del ángulo de talud en minas a cielo abierto, integrando la seguridad,
productividad y costos, ha sido abordada mediante enfoques híbridos que combinan
modelado numérico con análisis probabilísticos. Este enfoque permitió una evaluación más
equilibrada, pero reveló la dificultad de encontrar un compromiso óptimo entre estos
factores, ya que aumentar la inclinación del talud puede mejorar la rentabilidad, pero
compromete la estabilidad (Abdellah et al., 2022). Casos específicos como el talud sur de la
Mina de Cobre Chengmenshan han demostrado la utilidad de combinar técnicas de
equilibrio límite y métodos numéricos para abordar problemas de estabilidad en
condiciones geotécnicas complejas. Este es un referente que nos indica que la
implementación de métodos de refuerzo como el anclaje preesforzado y la inyección de
lechada ha mejorado significativamente el factor de seguridad (Mnzool et al., 2013).
Por otro lado, la combinación de métodos avanzados como el análisis del método de
elementos finitos conjuntos (MEFJ) y el análisis de deformación discontinua (ADD) permite
una evaluación integral de taludes altamente fracturados, desde la identificación de la
estabilidad hasta la optimización del diseño de soporte. Este enfoque holístico es esencial
para gestionar los riesgos y desarrollar soluciones de refuerzo específicas según la
configuración geotécnica del talud (Kang et al., 2022). Recientemente, la utilización de
modelos tridimensionales de elementos finitos ha permitido superar las limitaciones de los
modelos bidimensionales, proporcionando una comprensión más detallada de los
mecanismos de inestabilidad en minas con condiciones geológicas anisotrópicas. Esta
evolución en la modelización permite una evaluación más precisa y confiable de la
estabilidad de taludes complejos (Bar et al., 2019). Además, el uso de análisis estadísticos
difusos en la evaluación de la estabilidad de taludes aborda la incertidumbre inherente en
los parámetros geotécnicos, mejorando la precisión de las evaluaciones de riesgo y la toma
de decisiones técnicas. Este enfoque difuso permite considerar la variabilidad y la
Novasinergia 2025, 8(1), 33-51 35
incertidumbre de los parámetros geotécnicos, proporcionando una evaluación más robusta
de la estabilidad del talud (Wang & Lin, 2021).
A pesar de los avances significativos en la evaluación de la estabilidad de taludes, persisten
desafíos importantes. La mayoría de los estudios existentes se han centrado en condiciones
específicas y no siempre abordan de manera integral la complejidad geotécnica y geométrica
de los taludes. Además, las limitaciones en la disponibilidad de datos detallados y en la
capacidad computacional restringen la aplicación de métodos más avanzados en algunos
escenarios de investigación. El objetivo de este estudio es desarrollar un diseño final para el
talud Noroeste de la Mina Cuajone, utilizando el cálculo del factor de seguridad mediante
métodos de elementos finitos para proporcionar su estabilización. Se plantea la hipótesis de
que la aplicación de métodos de elementos finitos permitirá una evaluación más precisa y
detallada de la estabilidad del talud, considerando la complejidad geotécnica y geométrica
del mismo, y proponiendo medidas de estabilización adecuadas para asegurar su seguridad
a largo plazo.
2. Metodología
2.1. Ubicación geográfica
La población de estudio comprendió el Deslizamiento 53 (D53), ubicado en la Fase 07
en la totalidad del Tajo Cuajone, se explota a cielo abierto por la empresa Southern Perú
Copper Corporation (SPCC), se ubica a unos 30.4 km del distrito de Torata. Las coordenadas
geográficas de la mina Cuajone son: UTM WGS84 zona 19 sur; 317685E, 8117350N y
319515E, 8115815N (Gagliuffi & Vera, 2018), como se muestra en la Figura 1. Para abordar
el estudio sobre la estabilidad del talud Noroeste en la mina Cuajone, se implementó un
enfoque prospectivo observacional, utilizando una combinación de técnicas y herramientas
para obtener una comprensión detallada de las condiciones geológicas y geotécnicas del
área, así como para evaluar la estabilidad del talud bajo diferentes condiciones operativas y
geológicas.
Figura 1: Ubicación geográfica de la unidad minera Cuajone
Novasinergia 2025, 8(1), 33-51 36
Se llevó a cabo una caracterización detallada del talud Noroeste mediante mapeo geológico
de campo, registro de perforaciones, análisis de muestras de roca y pruebas de laboratorio
geotécnicas, enfocándose en las discontinuidades geológicas para comprender la estructura
y propiedades del macizo rocoso. Para el análisis de discontinuidades se empleó el software
Dips V.7.0 (Rocscience Inc., 2012), el cual facilitó el estudio de la orientación y características
estructurales del talud, permitiendo identificar zonas de debilidad y patrones de fractura
críticos. Posteriormente, se generó un modelo tridimensional con el software Phase2 V.8.0
(Rocscience Inc., 2016), el cual simula la interacción entre la geometría del talud y las
condiciones operativas, permitiendo el cálculo de factores de seguridad bajo diversas
condiciones de carga y la consideración del factor de perturbación (D) por voladura. Este
método de análisis con elementos finitos ha sido aplicado previamente en estudios de
estabilidad de taludes en minas a cielo abierto y otros escenarios geotécnicos complejos,
como en la Mina de Cobre Chengmenshan, donde se demostró su eficacia al combinarlo con
el método de equilibrio límite para la optimización del diseño de taludes (Mnzool et al.,
2013). Además, se implementaron estrategias de monitoreo continuo, lo cual ha optimizado
tanto el diseño del talud como la seguridad y sostenibilidad operativa en Cuajone.
Para monitorear las condiciones del talud y validar los resultados del modelado numérico,
se emplearon instrumentos geotécnicos como medidores de inclinación, piezómetros y
extensómetros. Estos instrumentos proporcionaron datos cruciales para comprender el
comportamiento del talud bajo diferentes cargas y condiciones operativas. Además, se
recopiló información detallada sobre las actividades mineras en el área de estudio,
incluyendo datos sobre voladuras, cargas de explosivos y otras actividades que pudieran
influir en la estabilidad del talud. Se realizaron levantamientos topográficos precisos del
área de estudio utilizando estaciones totales, GPS y drones, lo que permitió obtener datos
sobre la geometría del talud y su evolución a lo largo del tiempo, en la Figura 2 se muestra
a detalle el procedimiento de cómo se llevó a cabo las actividades desarrolladas en la
presente investigación.
Figura 2: Diagrama de desarrollo de la investigación
Novasinergia 2025, 8(1), 33-51 37
2.2. Geología local
El Grupo Toquepala constituye la base geológica de la Mina Cuajone, con rocas que
datan desde el Cretácico Superior hasta el Paleoceno, abarcando un rango temporal
estimado entre 80 y 60 millones de años. Estas rocas, denominadas localmente como rocas
pre-minerales, comprenden una variedad de tipos litológicos, destacándose principalmente
la Andesita Basáltica, la Riolita Porfirítica, la Dolerita Toquepala y otras Rocas Intrusivas
como la Diorita, Latita Porfirítica, Brechas Post-Minerales y Diques. Estas formaciones
constituyen la columna vertebral geológica sobre la cual se asienta el complejo minero de
Cuajone. El estudio detallado de estas rocas proporciona información crucial sobre la
evolución geológica de la región, facilitando la comprensión de los procesos tectónicos y
magmáticos que han modelado el área (Gagliuffi & Vera, 2018).
Posteriormente a los eventos de mineralización, se depositaron una serie de formaciones
rocosas postminerales que son fundamentales en la geología local de la Mina Cuajone. Entre
ellas, la Formación Huaylillas (Ts-vhu) se destaca por su presencia en la ladera sureste de la
Quebrada Chuntacala y en la ladera norte del Río Torata. Esta formación está compuesta
por una secuencia diversa de conglomerados, tobas, vitrófiros, traquitas y aglomerados, con
espesores que pueden alcanzar hasta los 230 metros. Por otro lado, la Formación Chuntacala
(Ts-ch), con una antigüedad estimada entre 9 y 14 millones de años (Mioceno), se encuentra
ubicada entre los valles de Chuntacala y Torata. Presenta disconformidades que sugieren
levantamientos episódicos en el área de la mina, lo que añade una capa adicional de
complejidad a su historia geológica (Gagliuffi & Vera, 2018).
Dos estructuras geológicas destacadas en la geología local de la Mina Cuajone son la Falla
Mayor Sur y la Falla Cuajone. La Falla Mayor Sur, con aproximadamente 950 metros de
longitud, presenta una compleja red de ramales que se bifurcan y se unen, con un azimut
preferencial de 212° y un buzamiento que oscila entre 45-55° SO. Esta estructura es crítica
para la estabilidad del terreno, ya que puede presentar problemas potenciales de estabilidad
de taludes en el tajo minero. La Falla Cuajone, con un azimut de 335° y un ancho de 10-12
metros, ejerce un control significativo sobre la mineralización en la región, tal como se
muestra en la Figura 3. Actualmente se están realizando mapeos para identificarla con
mayor precisión y para interpretar su rol en el proceso de mineralización. Estas estructuras
geológicas son fundamentales para entender la dinámica tectónica y la distribución de los
minerales en la Mina Cuajone, proporcionando información esencial para las operaciones
mineras y la gestión de riesgos geotécnicos.
Novasinergia 2025, 8(1), 33-51 38
Figura 3: Plano estructural local del Tajo Cuajone
El Talud Noroeste de la Mina Cuajone se sitúa en el sur del Perú, en el distrito de Torata,
provincia de Mariscal Nieto, departamento de Moquegua. Geográficamente, está en las
estribaciones de la cordillera de los Andes, caracterizadas por montañas rocosas y
pendientes abruptas. La mina se ubica en el sistema UTM WGS84, zona 19S, entre los puntos
317685E, 8117350N y 319515E, 8115815N, con una altitud promedio de 3,200 metros sobre
el nivel del mar. La zona presenta relieve intrusivo y montañoso, con formaciones
andesíticas y dioríticas, típicas de los Andes peruanos (Gagliuffi & Vera, 2018).
Climáticamente, la región se clasifica como semiárida de altura, caracterizada por una gran
oscilación térmica diaria, con temperaturas que varían entre los 5°C en la noche y 20°C
durante el día. Las precipitaciones son estacionales y escasas, concentrándose
principalmente entre los meses de diciembre y marzo, lo cual define una temporada de
lluvias breve y un prolongado período seco en el resto del año. Debido a la altitud y la baja
humedad relativa, el área también experimenta alta radiación solar y fuertes vientos en
ciertos períodos del año. La configuración geográfica y climática del sitio establece
condiciones específicas que exigen estudios de estabilidad y refuerzo para asegurar la
integridad del talud en este entorno complejo de la región andina
2.3. Métodos numéricos
A diferencia del análisis de estabilidad por equilibrio límite, el análisis tensión-
deformación no se limitó únicamente a la estática, sino que también se centra en examinar
los esfuerzos deslizantes frente a los esfuerzos cortantes, otorgando importancia a los
parámetros de deformación del macizo rocoso, según lo define (Gonzales et al, 2004). El
comportamiento tensión-deformación o esfuerzo-deformación de un cuerpo se define por
la relación entre los esfuerzos aplicados y las deformaciones resultantes, lo que indica cómo
el material rocoso se deforma y como varía su comportamiento durante la aplicación de la
carga.
El análisis tensión-deformación permitió comprender la respuesta del material antes de la
rotura, determinar la superficie de falla y evaluar el comportamiento posterior a la rotura
Novasinergia 2025, 8(1), 33-51 39
para calcular posibles desplazamientos. Para ello, se utilizan modelos numéricos que
resuelven las ecuaciones de elasticidad o plasticidad, proporcionando tensiones,
deformaciones y desplazamientos en todo el modelo. Este tipo de análisis es especialmente
relevante en taludes formados por material poco consolidado y en macizos rocosos con baja
competencia, donde la ausencia de planos de discontinuidad evita la creación de superficies
preferenciales de rotura. El método de deformaciones es aplicable principalmente en taludes
rocosos profundos, donde pueden presentarse tensiones elevadas, plastificaciones y
deformaciones significativas. Este método se subdivide en tres enfoques: elementos finitos,
elementos discretos y elementos de borde. En esta investigación, se utilizará el método de
elementos finitos (Jaeger et al., 2007).
2.3.1. Modelamiento numérico
El modelado numérico se centra principalmente en calcular esfuerzos, deformaciones
y factores de estrés mediante cálculos numéricos basados en teorías previamente estudiadas
u observadas. Su metodología básica implica la discretización de elementos, donde se divide
un elemento continuo o de borde en fragmentos más pequeños, asignándoles las
propiedades físicas del cuerpo al que pertenecen. Esto permitió observar el comportamiento
individual de cada fragmento y luego extrapolarlo a un comportamiento general con todas
las fracciones discretizadas. Aunque el modelado numérico fue una herramienta de análisis
poderosa, requiere una amplia fuente de información y un diseño adecuado para el caso de
estudio. Este enfoque de modelado requiere varios parámetros de entrada, que incluyen la
geometría (2D y 3D), la geología (litología), los esfuerzos in situ, el tipo de modelo, las
propiedades de los materiales y la aproximación numérica. Los métodos numéricos de
análisis se pueden clasificar en diversas categorías, como se indica en la Tabla 1.
Tabla 1: Clasificación de los métodos numéricos de análisis
Método
Características
Utilización
Softwares
Elementos Finitos
(MEF)
Se asume una malla de elementos con sus
respectivos nodos y propiedades
elastoplásticas de los materiales.
Se aplica a taludes que
puedan considerarse como
masas continuas sin bloques.
FLAC, Plaxis,
Phase2
Elementos Distintos o
Discreto (MED)
Se divide el talud en elementos con sus
propiedades internas y de las uniones
entre los elementos que se pueden mover
libremente.
Se aplica para analizar
inclinación de bloques.
FLAC
Elementos de Borde
(MEB)
Se discretizan las áreas para poder
modelar la ocurrencia de agrietamientos
en el talud.
Se utiliza para estudiar
problemas de propagación de
grietas.
MAP 3D
2.3.2. Elementos finitos
El MEF, presentado por Clough y Woodward en 1967, implicó dividir la masa de
suelo en unidades discretas conocidas como elementos finitos, que forman una malla con
nodos y bordes predefinidos. Este método, ampliamente utilizado, se basa en una
formulación de desplazamientos que proporciona resultados en términos de esfuerzos y
Novasinergia 2025, 8(1), 33-51 40
deformaciones en los puntos nodales (Suárez, 2009). Según (Cervera, 2022), la técnica de
Elementos Finitos es un análisis esfuerzo-deformación que permite predecir la naturaleza y
magnitud de los desplazamientos compatibles con el equilibrio del talud a medida que se
desarrolla la actividad minera. Esto implica que la estabilidad de estos taludes dependerá
tanto de la geometría del tajo como del estado de esfuerzos primarios. Los datos de entrada
incluyen: Estado de esfuerzos primarios, Módulo de elasticidad, Parámetros de resistencia
al corte (cohesión y ángulo de fricción), Resistencia compresiva, Disposición estructural y
Geometría presente del Tajo.
El método de elementos finitos (MEF) discretiza las paredes del talud en mallas de
elementos triangulares o rectangulares, con nodos interconectados que modelan los
desplazamientos esperados. Cada elemento se considera homogéneo, y se utilizan
programas computacionales para calcular desplazamientos en dos dimensiones, basados en
el equilibrio entre las cargas externas (peso del macizo rocoso y presión del agua) y las
fuerzas internas por deformación. Se establece un criterio de falla: si los desplazamientos
superan un umbral crítico, la resistencia de la roca se ve afectada, indicando una posible
falla progresiva. La Figura 4 muestra un ejemplo de malla típica utilizada en el análisis de
taludes mediante MEF (Ashford & Sitar, 1994). Las mallas generalmente presentan
elementos de tamaño uniforme, con anchos (W) y alturas (H) constantes, lo que impacta
significativamente.
Figura 4: Malla típica para el análisis de un talud vertical por elementos finitos
3. Resultados
Los resultados de campo y de gabinete fueron evaluados en los cálculos de diseño de
los parámetros geométricos y para garantizar una precisión óptima, se recurrió al software
especializado Phase2 para calcular el factor de seguridad requerido. Se detallan los
elementos esenciales para llevar a cabo un análisis de estabilidad del Talud Noroeste de la
Mina Cuajone, tal como se ilustra en la Figura 5. La estabilidad de los taludes en la Fase 7,
sector NO, se ha visto comprometida debido a la presencia de modos de ruptura complejos
mixtos (Planar y Cuña aflorante), lo que ha llevado a una reducción en el ancho de la vía
principal desde el óvalo de la Rampa del 3370 hasta el 3325 Sur.
Novasinergia 2025, 8(1), 33-51 41
Figura 5: Topografía original (zona inestable D53)
3.1. Parámetros geomecánicos
En el área del D53, se encuentran presentes diferentes tipos de litología, que incluyen
andesitas intrusivas y basálticas con alteración filítica, junto con un intrusivo de latita, que
se encuentra en estado fresco y de relleno. De acuerdo con el informe "Estudio Geotécnico
Plan de 15 años – Tajo Cuajone – Rev 1" elaborado por la firma consultora SRK Consulting
(2016), estas formaciones litológicas están clasificadas como unidades geotécnicas básicas
(UGB) 9, 6 y 1, respectivamente, como se detalla en la Tabla 2. Para estas unidades, se
llevaron a cabo pruebas de mecánica de rocas y, mediante el método de ruptura de Hoek-
Brown, se estimaron los parámetros correspondientes al macizo rocoso SRK Consulting
(2014).
Tabla 2: Parámetros geomecánicos (SRK)
Unidad
Geotécnica
Macizo Rocoso
GSI
mb
s
a
E (GPa)
𝝂
UGB1
48
0.92
0.0005
0.51
3.04
0.25
UGB6
54
1.09
0.0013
0.5
3.52
0.24
UGB9
47
0.7
0.0005
0.51
2.48
0.25
La información recopilada en campo, incluyendo los mapeos de caracterización del macizo
rocoso, complementó estos parámetros. Además, se consideró el factor de perturbación por
voladura (D) en el análisis, donde se asignó un valor de D = 0.8 - 0.9 para los macizos
afectados por las voladuras, mientras que se asignó un valor de D = 0 para los macizos
intactos.
3.2. Secciones geotécnicas
El diseño propuesto por ingeniería minera contempla la configuración de taludes con
un ángulo interrampa (IRA) = 49° en el macizo regular ubicado en el lado meridional,
mientras que se establece un IRA = 38° en la zona septentrional del D53, donde predominan
Novasinergia 2025, 8(1), 33-51 42
tanto el relleno como el macizo de baja calidad. Para llevar a cabo el análisis de estabilidad,
se emplearon dos secciones. El estudio actual difiere de la propuesta de estabilización
presentada por el Departamento de Ingeniería de Minas como se observa en la Figura 6.
Esto se debe a que, aunque se destaca el valor del material que se va a extraer, no se están
tomando en cuenta los parámetros geomecánicos ni la caracterización del macizo rocoso,
tampoco se considera el factor de perturbación (D) causado por las explosiones en la zona
inestable D53 del talud Noroeste de la Fase 7.
Figura 6: Vista en planta del diseño propuesto por Ingeniería Mina
La Figura 7 presenta la sección A–A´ del talud sur de la zona inestable conocida como D53,
presentando tanto la topografía actual como el diseño propuesto por el Departamento de
Ingeniería Mina. Este diseño incluye parámetros geométricos específicos para la
estabilización del D53. La propuesta sugiere la conformación de taludes con un IRA = 49°,
implicando una serie de cortes y rellenos estratégicos que buscan reducir la pendiente y
distribuir las tensiones de manera más uniforme. Estas medidas están diseñadas para
minimizar el riesgo de futuros deslizamientos y garantizar la seguridad a largo plazo de la
zona afectada. No obstante, no se considera los parámetros geomecánicos, la caracterización
del macizo rocoso y tampoco el factor de perturbación por voladura (D).
Novasinergia 2025, 8(1), 33-51 43
Figura 7: Sección A–A´, sector sur del D53
En la Figura 8 se presenta la sección B–B´ del talud norte de la zona inestable conocida como
D53, mostrando tanto la topografía actual como el diseño propuesto por el Departamento
de Ingeniería Mina para su estabilización. Este diseño implica la conformación de taludes
con ángulos de inclinación diferenciados según la calidad del macizo rocoso. En el norte del
D53, donde predominan el relleno y el macizo de baja calidad, se ha propuesto un IRA =
38°. Esta decisión se basa en la necesidad de reducir las tensiones y evitar deslizamientos en
materiales menos competentes. En contraste, en la parte sur del deslizamiento, donde el
macizo rocoso presenta una calidad regular, se ha establecido un IRA = 49°.
Figura 8: Sección B–B´, sector norte del D53
3.3. Resultados de estabilidad
3.3.1. Sección A–A´ (sector sur del D53)
La simulación evidencia rupturas y deformaciones en el macizo rocoso, a pesar de un
fuerte control estructural, como se ilustra en la Figura 9. Estas deformaciones indican la
Novasinergia 2025, 8(1), 33-51 44
presencia de zonas de debilidad en el macizo rocoso, las cuales podrían ser puntos de inicio
de fallas. Demostrando en el análisis de estabilidad en el talud sur, según el diseño
propuesto por el Departamento de Ingeniería Mina, revela un FS = 0.92 bajo condiciones
pseudoestáticas. Este valor sugiere que el talud sería inestable y pudo generar un peligro de
deslizamiento en las vías del óvalo 3370 ilustrado anteriormente en la Figura 5, lo que indica
la necesidad de ajustar el IRA en esta área.
Figura 9: Sección A–A´ con IRA = 49° y FS = 0.92
Para determinar un IRA adecuado en este sector, fue necesario realizar un análisis de
sensibilidad de la ocurrencia de roturas tipo planares con respecto a la variación del IRA,
como se ilustra en la Figura 10. Este análisis es fundamental para comprender cómo
diferentes ángulos de inclinación afectan la estabilidad del talud y la probabilidad de fallas.
Se establece que el porcentaje de ocurrencia de roturas no debe superar el 25%. Este criterio
es crucial para asegurar que el diseño del talud mantenga un nivel de riesgo aceptable y que
las medidas de mitigación sean efectivas. La Figura 10 muestra claramente cómo se
comporta este porcentaje de ocurrencia en función de la variación del IRA.
Figura 10: Análisis de sensibilidad en el sector Sur
Novasinergia 2025, 8(1), 33-51 45
La Figura 11 indica que el área estudiada puede tolerar hasta 43° de inclinación con un 25%
de probabilidad de ocurrencia. Se llevó a cabo un análisis de estabilidad en un talud con un
IRA = 43°, dándonos como resultando en un FS = 1.11 bajo condiciones pseudoestáticas, lo
cual confirma la estabilidad del talud. Este análisis consideró diversas variables geotécnicas
y dinámicas, como la resistencia del material rocoso, la presión de los poros y las fuerzas
externas. La simulación detallada mostró cómo el talud se comporta bajo cargas
pseudoestáticas, identificando las áreas de mayor resistencia y las posibles rutas de falla.
Figura 11: Sección A–A´, Análisis de estabilidad talud sur propuesto con IRA = 43° con FS = 1.11, con condición estable.
3.3.2. Sección B–B´ (sector norte del D53)
El análisis de estabilidad realizado en el talud norte, según el diseño propuesto por
el departamento de Ingeniería Mina, revela un FS = 1.57 bajo condiciones pseudoestáticas.
La construcción del talud norte con un IRA = 38° resultaría en un talud estable. La
deformación ocurre principalmente en el relleno como respuesta al banqueo en la parte
inferior, influyendo en cómo se distribuyen las tensiones y cómo se deforma el relleno, como
se muestra en la Figura 12. Este análisis subraya la importancia de un diseño cuidadoso y
de la implementación de técnicas de estabilización adecuadas para asegurar la integridad
del talud.
Novasinergia 2025, 8(1), 33-51 46
Figura 12: Sección B–B´, Análisis de estabilidad talud norte con un IRA = 38° con FS = 1.57, condición estable
El análisis de sensibilidad del porcentaje de ocurrencia de rotura planar, como se muestra
en la Figura 13, revela que el talud en roca puede soportar una inclinación de hasta un IRA
= 41°. Este análisis es fundamental para determinar la inclinación máxima que puede
manejar el talud sin comprometer su estabilidad, asegurando así un diseño seguro y
eficiente. Sin embargo, es importante considerar que el sector está conformado en gran parte
por relleno, lo cual cambia las condiciones de estabilidad. El material de relleno, a diferencia
de la roca, tiene propiedades mecánicas diferentes y generalmente es menos estable bajo las
mismas condiciones. Por lo tanto, es crucial adaptar el diseño del talud teniendo en cuenta
estas diferencias para evitar riesgos de fallo.
Figura 13: Análisis de sensibilidad del % de ocurrencia en el sector Norte
4. Discusión
4.1. Factor de seguridad
El análisis de estabilidad en el talud sur del diseño propuesto, realizado por
Ingeniería Mina, muestra un FS = 0.92 en condiciones pseudoestáticas. Este valor indica que
Novasinergia 2025, 8(1), 33-51 47
las fuerzas actuantes sobre el talud superan su resistencia, sugiriendo un riesgo significativo
de falla. La implementación de este diseño resultaría en un talud inestable, lo cual podría
comprometer la integridad de la vía entre los óvalos 3370 y 3430. Por ello, es necesario
ajustar el ángulo de inclinación en esta sección, como se detalla en la Tabla 3. Tardeo &
Zanabria (2016) realizaron un análisis estático y dinámico utilizando el método de
elementos finitos, determinando el factor de seguridad de taludes y concluyendo que la
zona estudiada era inestable, dado que el FS < 1. Este precedente fundamenta los resultados
obtenidos y presentados en la Tabla 3, subrayando la necesidad de modificar el diseño para
mejorar la estabilidad del talud.
Tabla 3: Factor de seguridad condición inestable
Sector
Diseño Talud
Análisis de estabilidad
Ocurrencia
Condición
IRA
ACB
HB
Pseudoestático
Estático
Rotura Planar
(º)
(º)
(m)
FS
FS
(%)
Sur
49
70
15
0.92
1.33
67
Inestable
Para determinar un IRA adecuado en este sector, se realizó un análisis de sensibilidad sobre
la ocurrencia de roturas tipo planar en función de la variación del IRA. Según el criterio de
aceptabilidad, este porcentaje no debe superar el 25%. Los resultados indicaron que el sector
Sur puede soportar hasta 43° con un 25% de ocurrencia de roturas. Un análisis de estabilidad
para un talud con IRA = 43° mostró un FS = 1.11 en condiciones pseudoestáticas, indicando
un talud estable. Por lo tanto, se recomienda reconfigurar el talud del sector sur con IRA =
43°, como se detalla en la Tabla 4. Según Hoek (2007) en Practical Rock Engineering
menciona que el 25% de probabilidad de falla es un criterio aceptado en estabilidad de
taludes bajo ciertas condiciones, particularmente en minería. Además, Obregon & Mitri
(2019) en Slope Stability Analysis Using Probabilistic and Deterministic Methods refuerzan
este límite en proyectos mineros.
El análisis de estabilidad del talud norte del diseño propuesto por Ingeniería Mina muestra
un FS = 1.57 en condiciones pseudoestáticas. La construcción del talud norte con un IRA =
38° resultaría en un talud estable. El análisis de sensibilidad del porcentaje de ocurrencia
para rotura planar sugiere que el talud en roca puede soportar una inclinación de hasta 41°.
Sin embargo, dado que el sector está conformado en gran parte por relleno, se recomienda
mantener el diseño del talud con un IRA = 38°. Estos hallazgos concuerdan con estudios
previos, como el de Mnzool et al. (2013) en la Mina de Cobre Chengmenshan, que también
reportó un FS similar mediante métodos de equilibrio límite y análisis por elementos finitos.
Además, los sectores sur y norte presentan un FS > 1.3 en condiciones estáticas, lo que indica
que las fuerzas sobre el talud son menores que su resistencia, sugiriendo estabilidad y
ausencia de riesgo de falla. Por lo tanto, el talud se considera seguro y no presenta riesgos
significativos de falla, ilustrado en la Tabla 4. Herrera (2020) señala que el FS disminuye en
análisis anisotrópicos, encontrando una correlación positiva entre la calidad del macizo
rocoso y la reducción del FS anisotrópico respecto al isotrópico, lo que refuerza la
importancia de utilizar múltiples métodos para una evaluación precisa de la estabilidad del
talud.
Novasinergia 2025, 8(1), 33-51 48
Tabla 4: Factor de seguridad condición estable
Sector
Diseño Talud
Análisis de estabilidad
Ocurrencia
Condición
IRA
ACB
HB
Pseudoestático
Estático
Rotura Planar
(º)
(º)
(m)
FS
FS
(%)
Sur
49
70
15
1.1
1.62
25
Estable
Norte
38
38
15
1.57
2.11
5.3
Estable
4.2. Factor de perturbación “D”
Para el análisis de estabilidad del talud Noreste de la Fase 7 del Tajo Cuajone, se han
incorporado características específicas basadas en la experiencia y el conocimiento del
terreno. El factor D, asociado a la perturbación del talud por daños de voladura, fue crucial
en los cálculos de estabilidad. Este valor y su perímetro de influencia fueron determinados
mediante observaciones de campo. La técnica de mitigación del daño por voladura es
novedosa en la minería nacional, tradicionalmente usada para proteger estructuras cercanas
a áreas urbanas. Actualmente, se emplean técnicas avanzadas como la voladura de Pre-corte
y los taladros de buffer, que disponen columnas de explosivos de menor altura y con un
espaciamiento reducido. Además, el uso de detonadores electrónicos permite un riguroso
control de la secuencia, dirección y tiempo de las detonaciones, mejorando el control de
vibraciones y reduciendo daños.
Estas metodologías han mejorado significativamente la estabilidad de los taludes,
permitiendo reconfigurar ángulos interrampa más agresivos. La Figura 15 ilustra la
zonificación referencial de taladros, destacando el menor espaciamiento en los taladros de
buffer, que tienen una menor altura de carga de explosivo para un mejor control de
vibraciones hacia el talud final (Elaborado por Perforación y Disparos SPCC).
Figura 15: Zonificación referencial de taladros
Es importante señalar que este método representa una aproximación indirecta, aunque una
posible alternativa sería llevar a cabo perforaciones y compararlas con sondajes anteriores
en la zona para observar directamente los efectos del daño inducido por la voladura. El
valor D resultante desempeña un papel crucial en el análisis de estabilidad de los taludes y
se refleja en el Factor de Seguridad, por lo que debe ser tratado con la misma atención y
Novasinergia 2025, 8(1), 33-51 49
delicadeza que la caracterización del macizo rocoso y el mapeo estructural. La técnica de
voladura de pre-corte y taladros de buffer ha sido destacada por varios estudios, como el
de Jiménez (2018), quienes encontraron que estas técnicas son efectivas para reducir los
daños por voladura y mejorar la estabilidad de los taludes. Estos métodos son esenciales
para controlar las vibraciones y minimizar el daño al macizo rocoso, asegurando así una
mayor estabilidad del talud.
5. Conclusiones
El análisis detallado de estabilidad del talud sur en la Mina Cuajone, utilizando
métodos estáticos y pseudoestáticos, ha permitido identificar un riesgo significativo de falla
con un factor de seguridad (FS) de 0.92 en su estado original. Mediante la optimización del
ángulo de inclinación a 43°, se logró incrementar el FS a 1.11, garantizando así la estabilidad
del talud. Este hallazgo no solo mejora la seguridad operativa, sino que también
proporciona una base sólida para futuras investigaciones que busquen desarrollar
estrategias de diseño más seguras y eficientes para taludes en minas con condiciones
geotécnicas similares.
En el análisis del talud norte, se determinó que un FS de 1.57 en condiciones pseudoestáticas
con un ángulo de inclinación de 38° es adecuado para garantizar la estabilidad. Sin embargo,
la investigación destacó que las propiedades del material de relleno, en contraste con la roca,
juegan un papel crucial en la estabilidad del talud. Mantener el ángulo de 38° en lugar de
aumentarlo a 41° es esencial para prevenir posibles fallas. Estos resultados subrayan la
necesidad de realizar estudios geotécnicos específicos del sitio y proponen una línea de
investigación futura centrada en la caracterización y modelación del comportamiento de los
materiales de relleno en la estabilidad de taludes mineros.
Los análisis realizados sugieren varias modificaciones en el diseño de los taludes para
mejorar la seguridad operativa en la Mina Cuajone. La incorporación de ángulos de
inclinación optimizados y la evaluación precisa de las propiedades del material de relleno
son esenciales para minimizar los riesgos de falla. Futuros estudios podrían enfocarse en
explorar el impacto de diferentes técnicas de voladura en la estabilidad del talud y en la
integración de tecnologías avanzadas, como el monitoreo en tiempo real y el modelado 3D,
para evaluar y mejorar la estabilidad de los taludes de manera dinámica. Estas
investigaciones contribuirán a desarrollar prácticas mineras más seguras y sostenibles.
Contribuciones de los autores
En concordancia con la taxonomía establecida internacionalmente para la asignación
de créditos a autores de artículos científicos (https://casrai.org/credit/). Los autores declaran
sus contribuciones en la siguiente matriz:
Novasinergia 2025, 8(1), 33-51 50
Catari, P.
Barriga, C.
Villanueva, C.
Gomez, J.
Alvarado, H.
Melgar, D.
Chirinos, E.
Conceptualización
Análisis formal
Investigación
Metodología
Recursos
Validación
Redacción – revisión y edición
Conflicto de Interés
Los autores declaran que no existen conflictos de interés de naturaleza alguna con la
presente investigación.
Referencias
Abdellah, W. R., Hirohama, C., Sainoki, A., Towfeek A. R., & Ali, M. A. M. (2022). Estimating the Optimal
slope angle of open-pit mines: probabilistic analysis. Applied Sciences, 12(9), 4746.
https://doi.org/10.3390/app12094746
Ancuța, R., Bejan, F., & Almohamad, D. (2022). Sustainable Slope Stability Analysis: A Critical Study on
Methods. Sustainability, 14(14), 8847. https://doi.org/10.3390/su14148847
Ashford, S. A. & Sitar, N. (1994). Seismic Response of Steep Natural Slopes. Earthquake Engineering Research
Center.
Bar, N., Yacoub, T., & McQuillan, A. (2019). Analysis of a large open pit mine in Western Australia using finite
element and limit equilibrium methods. In: Proceedings of 53rd U.S. Rock Mechanics/Geomechanics
Symposium, New York City, New York.
Cervera, L. (2022). Método de elementos finitos: Estabilidad de taludes. https://eadic.com/blog/entrada/el-metodo-
de-elementos-finitos-estabilidad-de-taludes/.
Gagliuffi, P. & Vera, M. (2018). Caracterización petromineralógica de los yacimientos Toquepala y Cuajone.
INGEMMET, Boletín Serie B: Geología Económica, 49, 206 p. https://hdl.handle.net/20.500.12544/1521
Gonzales, L., Ferrer, M., Ortaño, L., & Oteo, C. (2004). Ingeniería Geológica. Pearson Educación.
https://www.academia.edu/50773034/INGENIERIA_GEOLOGICA_GONZALES_DE_VALLEJO
Herrera, E. (2020). Caracterización geomecánica del macizo rocoso aplicado al análisis de estabilidad de taludes en el
yacimiento Jesica Ocuviri - Lampa - Puno - 2015 – 2016 [Tesis de maestría, Universidad Nacional Mayor
de San Marcos].
Hoek, E. (2007). Practical Rock Engineering. Rocscience. https://amser.org/g6219/f4
Jaeger, J. C., Cook, N. G. W., & Zimmerman, R. W. (2007). Fundamentals of Rock Mechanics. Blackwell
Publishing.
Novasinergia 2025, 8(1), 33-51 51
Jiménez, S. P. (2018). Impacto ambiental de la Compañía minera Southern Perú Cooper Corporation en
América Latina: Una aproximación histórica de comienzos del siglo XX a la actualidad. Revista
Geográfica de América Central, 61(3), 489-503. http://dx.doi.org/10.15359/rgac.61-3.25
Kang, J., Wan, D., Sheng, Q., Fu, X., Pang, X., Xia, L., & Li, D. (2022). Risk assessment and support design
optimization of a high slope in an open pit mine using the jointed finite element method and
discontinuous deformation analysis. Bulletin of Engineering Geology and the Environment, 81(6).
https://doi.org/10.1007/s10064-022-02759-z
Mnzool, M., Wan, L. & Wei, Z. (2013). Stability analysis of southern slope of Chenmenshan open pit copper
mine. Current Research in Geoscience, 3(1), 13–22. https://doi.org/10.3844/ajgsp.2013.13.22
Obregon, C., & Mitri, H. (2019). Slope Stability Analysis Using Probabilistic and Deterministic Methods.
International Journal of Mining Science and Technology, 29(3), 471-479.
https://doi.org/10.1016/j.ijmst.2019.06.017
Rocscience Inc. (2012). Dips V.7.0. Graphical and Statistical Analysis Software for Orientation Data.
https://www.rocscience.com/software/dips.
Rocscience Inc. (2016). Phase2 V.8.0. https://www.rocscience.com/software/phase2.
SRK Consulting. (2014). Estimación de Propiedades del Macizo Rocoso para la Mina Cuajone, Perú. Informe
preparado para Southern Perú Copper Corporation, Perú.
SRK Consulting. (2016). Estudio geotécnico plan de 15 años – Tajo Cuajone (Rev. 1). Informe preparado para
Southern Perú Copper Corporation, Perú.
Suárez, J. (2009). Deslizamientos. Análisis geotécnico. Industrial de Santander.
Tardeo, C., & Zanabria, E. (2016). Análisis dinámico de estabilidad de taludes en Huayllapampa del Distrito de Cuenca
Huancavelica [Tesis de grado, Universidad Nacional de Huancavelica].
http://repositorio.unh.edu.pe/handle/UNH/1935
Wang, Z., & Lin, M. (2021). Finite element analysis method of slope stability based on fuzzy statistics. Earth
Sciences Research Journal, 25(1), 123–130. https://doi.org/10.15446/esrj.v25n1.93320
Zhao, X., Zhao, Y., & Yu, W. (2023). The safety factor of a heterogeneous slope in an open-pit metal mine: A
case study from the Tanjianshan gold mine. Frontiers in Earth Science, 10.
https://doi.org/10.3389/feart.2022.990454
