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I SIMPOSIO DE GEOTECNIA“La Geotecnia como solución en obras civiles y mineras”
Lima 25 de abril del 2019
LA GEOMECANICA EN EL PROCESO DE DISEÑO DE MINAS SUBTERRANEAS
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Ingenieros S.R.Ltda.DCR
Geomecánica en Minería y Obras CivilesMSc. Ing. Néstor David Córdova Rojas
Ingenieros S.R.Ltda.DCR
Geomecánica en Minería y Obras Civiles
PROCESO DE DISEÑO DEL MINADO SUBTERRANEO
Dimensionamiento de tajeos y pilares
undercuts y niveles de producción
Secuenciamiento de minado
(análisis de esfuerzos)
Accesos e
infraestructuraPlaneamiento del Minado
Selección del
método de minado
Planeamiento del Minado y Mecánica de Rocas
GeologíaA
spec
tos
de
Dis
eño G
lobal
Planeamiento del Minado
Planeamiento del Minado y Mecánica de Rocas
Caracterización de
la masa rocosa
Delineación
del mineral
Análisis
Económico Global
Planeamiento del Minado
Geología y Mecánica de Rocas
NO Diseño
Global
Aceptable
Planeamiento del Minado y Mecánica de Rocas
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PROCESO DE DISEÑO DEL MINADO SUBTERRANEO
Ref: E. VillaescusaNov-2008
Sostenimiento de la masa
rocosa de la excavaciónMecánica de Rocas
FIN
GeologíaPerforaciones
de delineación
Monitoreo de
la extracción
Análisis Económico
Detallado
SI
SI
Planeamiento del MinadoDiseño de la
perforación y voladura
Diseño
Detallado
Aceptable
Documento de
Resultados
Asp
ecto
s de
Dis
eño d
e D
etal
le
Diseño
Global
Aceptable
NO
Operaciones, Planeamiento del Minado
Geología y Mecánica de Rocas
Planeamiento del Minado
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Caracterización de la masa rocosa.
Selección del método de minado.
Dimensionamiento del minado.
Secuenciamiento del minado.
Sostenimiento.
Monitoreo de la extracción.
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Caracterización de la masa rocosa.1
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Caracterización del sitioDefinición de las condiciones geomecánicas de la masa rocosa del
yacimiento para el minado
Formulación del modelo de minaConceptualización de los datos de la caracterización del sitio
Análisis de diseñoSelección y aplicación de esquemas matemáticos y computacionales
para el estudio de las alternativas de esquemas y estrategias de
minado
Monitoreo del rendimiento de la rocaMediciones de la respuesta operacional al minado de la masa rocosa
del yacimiento
Análisis retrospectivoCuantificación de las propiedades in-situ de la masa rocosa e
identificación de los modos de respuesta dominantes de la
estructura de la mina
COMPONENTES Y LOGICA DE UN PROGRAMA GEOMECANICO
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• Definir las diferentes unidades litoestratigráficas asociadas al cuerpomineralizado.
• Determinación de las propiedades de resistencia y deformación de lasunidades lito-estratigráficas.
• Definición de las propiedades geométricas y mecánicas de los sistemasde discontinuidades menores.
• Ubicación y descripción de las propiedades de las discontinuidadesmayores.
• Estimación de la resistencia in-situ del medio rocoso a partir de laspropiedades de sus elementos constituyentes.
• Determinación del estado de esfuerzos in-situ en el área de minado.
• Investigación de la hidrogeología del cuerpo mineralizado y su entorno.
CARACTERIZACION DE SITIO
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El objetivo es tomar en cuenta los principales rasgos geomecánicos queserán considerados en el comportamiento del modelo. Por ejemplo:
• A las unidades litológicas se les asignará propiedades de resistencia ydeformación promedias “representativas”.
• A los rasgos estructurales mayores se les asignará una geometríaregular y propiedades de resistencia al corte promedias.
• Se dará una especificación representativa del estado de esfuerzosdel pre-minado.
FORMULACION DEL MODELO DE MINA
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PLANO GEOLOGICO
ESTRUCTURAL NIVEL +0
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PLANO GEOMECANICO
NIVEL +0
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PLANO DE ZONIFICACION
GEOMECANICA NIVEL +0
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PLANO DE ZONIFICACIÓN GEOMECÁNICA
SECCIÓN TRANSVERSAL 3
En la definición de losdominios estructuralesse combinan aspectos:
• Litológicos• Estructurales• Alteraciones• Calidad de la masa
rocosaPLANO DE ZONIFICACION GEOMECANICA
SECCION TRANSVERSAL 3
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ZONEAMIENTO DE CALIDADES DE
MASA ROCOSA EN SECCIONES
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ZONEAMIENTO GEOMECANICA
ZONA HORIZONTES
VISTA 3D
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ZONEAMIENTO GEOMECANICA
ZONA HORIZONTES
NIVEL 3300
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ZONEAMIENTO GEOMECANICA
ZONA HORIZONTES
DETALLE SECCION 8711400
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Selección del método de minado.
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METODOS DE MINADO SUBTERRANEO
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Parámetros
Económicos
Condiciones
Naturales del
Yacimiento
Seguridad e Higiene y
Medio Ambiente
Factores
Tecnológicos
Factores que influyen en la selección
del método de explotación
SELECCION DEL METODO DE MINADO
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SELECCION DEL METODO DE MINADO
–Geología
–Morfología de la mineralización
–Reservas y distribución de leyes
–Condiciones geomecánicas de la masa rocosa
–Condiciones hidrogeológicas
Condiciones naturales del yacimiento
El método (o métodos) de minado debe(n) estar aparejado(s) a todas estascondiciones naturales del yacimiento, de tal manera que el minado seatécnicamente factible. La factibilidad técnica debe ser complementada con unaevaluación económica del método (o métodos) de minado, para asegurar unafactibilidad técnica – económica óptima. También se debe complementar conuna evaluación de los aspectos de Seguridad e Higiene y Medio Ambiente, yFactores Tecnológicos.
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–Tasas de producción (t/h)
–Vida de la mina
–Productividad (t/hombre-hora)
–Costos de explotación de otros métodos posibles
–Costos de capital de otros métodos posibles
Parámetros económicos
–Facilidad para disponer de áreas de disposición de materiales
–Condiciones de seguridad de otros métodos posibles
–Subsidencia, o efectos que afectan a la superficie
Seguridad y Medio Ambiente
–Recuperación
–Rendimientos mineros y mineralúrgicos
–Dilución
–Flexibilidad del método a condiciones cambiantes
–Selectividad del método
–Concentración o dispersión de los trabajos
–Facilidad para mecanizar y automatizar
–Intensidad de capital y mano de obra
Factores tecnológicos
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Orden Método de minado Abreviación
1 Block ó Panel Caving BC
2 Room and Pillar R&P
3 Sub Level Stoping SLS
4 Sub Level Caving SLC
5 Cut and Fill Stoping C&F
6 Vertical Crater Retreat VCR
7 Top Slicing TS
8 Shrinkage Stoping SHS
9 Square Set Stoping SQS
METODOS DE MINADO EN ORDEN DE COSTOS
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Dimensionamiento del minado.
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• Establecer dimensiones y esquemasadecuadas de los tajeos y de todos loscomponentes estructurales asociadosal minado.
DIMENSIONAMIENTO DEL
MINADO
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• Representa el corazón de la práctica de la geomecánica.
• Aquí se puede predecir usando técnicas matemáticas o numéricasapropiadas, el rendimiento mecánico de las configuraciones de minadoseleccionadas y de las geometrías de las excavaciones, para lascondiciones predominantes de la masa rocosa.
• Las herramientas analíticas pueden variar desde las más simples, comopor ejemplo la teoría del área tributaria para el diseño de pilares, hastalas más avanzadas, como por ejemplo, los esquemas computacionalesque consideran modelos constitutivos bastante complejos delcomportamiento tanto de la masa rocosa como de sus elementos defábrica.
• Producto de recientes desarrollos en la capacidad de los esquemascomputacionales hoy en día disponibles, ha habido avancessignificativos, y mejoramiento de la confiabilidad, en la calidad deldiseño estructural en roca.
ANALISIS DE DISEÑO
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SOSTENIMIENTO PRELIMINAR
separación
D
A
<
Modificar
c
Modificar el diseño para limitar la rotura
interior del macizo
potencial y su importancia
E
Análisis del papel de las
sostenimiento
>
Aceptar el
Clasificaciones Geomecánicas: RMR de Bieniawski, Q de Barton
c
Hay
Curvas Características
y
el diseño
t
de roca en el entorno de la excavación
B
c
C
Modificar el
discontinuidades
especificar
REQUERIMIENTOS OPERACIONALES
No hay
diseño
Determinar del campo de esfuerzos naturales
>
deslizamiento
del terreno
Comparar con y
ó
Diseño del
<
Tolerable
diseño
DISEÑAR LA EXCAVACION SEGUN
diseño y
deslizamiento
y/o separación
t
sostenimiento
Calcular los esfuerzos en el
Determinar la extensión de rotura
Intolerableo
t
Aceptar el
No hay
METODOLOGÍA DE DISEÑO DE EXCAVACIONES
SUBTERRÁNEAS(Brady & Brown, 1993)
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METODOLOGÍA DE DISEÑO
Ref: R. Pakalnis
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ESTABILIDAD CONTROLADA POR ESTRUCTURAS
Análisis de cuñas – Programa UNWEDGE (Rocscience Inc. 2004)Tajeo Intermedio Central (Tajeo 287). Sección de la excavación 85 m x 65 m.
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ESTABILIDAD CONTROLADA POR ESTRUCTURAS
Análisis de cuñas – Programa UNWEDGE (Rocscience Inc. 2004)Tajeo Intermedio Central (Tajeo 287). Sección de la excavación 85 m x 65 m.
Tajo Planta Excavación
Discontinuidad crítica Tipo de Inestabilidad Potencial
JuntaFalla
RegionalLajamiento Pandeo Biplanar
Cuñas
Colgada Desliza por:
Tajeo Techo Sist 3 - - - Sist 2, Sist 3 Sist 1,2,3 -
Intermedio Pared NW Sist 1 F4: 70/120 Sist 1 - - - Sist 1, Sist 3
Central Pared NE Sist 2 - Sist 2 - - - Rota por Sist 1
Secc. 3,4,5y6 Pared SE Sist 1 F3: 75/115 Sist 1 Sist 1 - - Sist 2
Nvs. 0,-30,-46 Pared SW Sist 2 - Sist 3 Sist 3 - - Sist 3
Tajeo Techo Sist 3 - - Sist 3 Sist 2, Sist 3 Sist 1,2,3 -
Intermedio Pared SW Sist 2 - - - - - Rota por Sist 1
Norte Pared NW Sist 1 - Sist 1 - - - Sist 1, Sist 3
Secc. 10y11 Pared NE Sist 2 - Sist 2 - - - Sist 3, Sist 2
Nvs. 0,-30 Pared SE Sist 1 - Sist 1 - - - Sist 2
Tajeo 240 Techo Sist 3 - - Sist 3 Sist 2, Sist 3 Sist 1,2,3 -
Secc. 5y6 Pared W Sist 1 - - - - - Sist 1
Nvs. -46,-65 Pared NW Sist 1 - Sist 1 - - - Sist 1, Sist 3
Pared NE Sist 2 - Sist 2 - - - Sist 1, Sist 3
Pared SE Sist 1 - Sist 1 - - - Rota por Sist 3
Pared SW Sist 3 - Sist 3 - - - Sist 2
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ESFUERZOS INDUCIDOS EN EL MINADO DEL YACIMIENTO
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Contornos de desplazamiento total Fase 1
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Contornos de desplazamiento total Fase 3
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Secuenciamiento del minado.
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SECUENCIAMIENTO DEL MINADO
• Establecer la dirección general del avance del minado a través del cuerpomineralizado.
• Establecer la secuencia de extracción de los blocks de mineral y de los pilaresremanentes, preservando la estabilidad estructural de la mina a nivel global ylocal.
Maximizar la recuperación del mineral. Extracción temprana de bloques que tienen soporte natural. Lograr tasas de extracción uniformes espacialmente. Ordenar la retirada del minado hacia áreas sólidas y estables. Evitar dejar pilares remanentes dispersos. Minimizar áreas de altos esfuerzos inducidos. Controlar la estabilidad global de la mina y la sismicidad. Proteger las principales instalaciones de la mina. Limitar la cantidad de trabajo realizado en áreas altamente
esforzadas o potencialmente inestables.
OBJETIVOS
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SECUENCIA DE AVANCE DEL
MINADO
CASO MINA CHUPA
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Explotación Preparación
4,010 6 2
3,990 6 2
3,970 6 2
3,950 - - 1
Total 18 6 1
Nivel Nº de draw point Desarrollos
Desarrollo
Nv. 4010
Nv. 3990
Nv. 3970
Nv. 3950
Zona explotada
Zona por minar
NW SEARRIBA
ABAJO
PreExplotació
n
PreExplotació
nPreExplotació
n
OBJETIVO:Minimizar los riesgos a los recursos empleados.Mantener mineral preparado.Mantener una distribución de leyes promedio.
SECUENCIA DE AVANCE DEL
MINADO
CASO MINA ROSAURA
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En retirada.De NW a SE.De caja piso a caja techo.
Zona explotada
Zona por minar
NW SECAJA
PISO
CAJA
TECHO
Explotació
n
Pre
SECUENCIA DE AVANCE DEL
MINADO
CASO MINA ROSAURA
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SECUENCIA DE AVANCE DEL
MINADO
CASO MINA TINYAG
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SECUENCIA DE AVANCE DEL
MINADO
CASO MINA YAULIYACU
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SECUENCIA DE AVANCE DEL
MINADO
METODO SARC
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Sostenimiento.
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SOSTENIMIENTO CON ESTRUCTURAS NATURALES Y ARTIFICIALES
• Estructuras naturales: efecto arco, pilares y escudos.
• Estructuras artificiales para sostenimiento activo y pasivo: pernos de roca,cablebolt, malla, cintas, shotcrete, cimbras, gatas, madera, relleno y otras.
• Importante: Controles de calidad antes, durante y después de la instalación delsostenimiento: materiales, equipos, procedimientos de instalación y rendimientodel sostenimiento.
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METODOS DE DISEÑO DEL SOSTENIMIENTO
• Utilización de los criterios de clasificación geomecánica de la masa rocosa: RMR,Q, y otros.
• Análisis de equilibrio límite o de estabilidad estructuralmente controlada.
• Aproximación “Convergencia – Confinamiento” o RSI (Interacción Roca –Sostenimiento).
• MATM (Nuevo Método Austriaco de Tunelería).
• Métodos numéricos: MEF, MEB, MED.
• Modelos físicos a escala reducida (maquetas).
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CRITERIOS DE CLASIFICACION GEOMECANICA
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CRITERIOS DE CLASIFICACION GEOMECANICA
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ESTABILIDAD ESTRUCTURALMENTE CONTROLADA
Alternativa de estabilización con cablebolts de grandes cuñas potencialmente inestables formadas en el techode tajeos – Método de minado subniveles con taladros largos.
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GRAFICO DE ESTABILIDADGRAFICO DE ESTIMACION DEL
SOSTENIMIENTO CON CABLEBOLT
METODO GRAFICO DE ESTABILIDAD
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CONVERGENCIA – CONFINAMIENTO O RSI
equilibrio
de sostenimiento
Pre
sió
n d
el s
ost
enim
ien
to
Desplazam. radial hacia el interior
fluencia del sistema
Respuesta del sistema desostenimiento al desplazamientode la pared del túnel, resultanteen el establecimiento delequilibrio.
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CONVERGENCIA – CONFINAMIENTO O RSI
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CONVERGENCIA – CONFINAMIENTO O RSI
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NATM - NUEVO METODO AUSTRIACO DE TUNELERIA
• El más común: Uso de la teoría de falla por corte (Rabcewicz and Golser, 1973).Entrada: profundidad de la excavación, parámetros de resistencia de la masarocosa, dimensiones de la excavación. Salida: resistencia requerida incluyendo elarco rocoso.
• Análisis del anillo de carga portante como un cilindro de pared gruesa (Egger,1973).
• Método de elementos finitos, usando variables de profundidad, diferentesrelaciones de esfuerzos, parámetros de resistencia de la masa rocosa y de lasdiscontinuidades, zonas de plastificación, desplazamientos, cargas sobre elrevestimiento, momentos de pandeo y fuerzas axiales en el revestimiento ydeformación en el revestimiento (Egger, 1973 y Kovári, 1969).
• Algunas personas usan solo el sistema de clasificación geomecánica de la masarocosa. Pero esto no es generalmente recomendado y no reemplaza a los cálculosde diseño detallado apropiado.
METODOS DE DISEÑO
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NATM - NUEVO METODO AUSTRIACO DE TUNELERIA
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NATM - NUEVO METODO AUSTRIACO DE TUNELERIA
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NATM - NUEVO METODO AUSTRIACO DE TUNELERIA
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METODOS NUMERICOS
Sostenimiento de cámara de echadero con pernos, cablebolts y shotcrete estimado con el programa PHASE2.
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SELECCIÓN DEL SOSTENIMIENTO
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MODELOS FISICOS A ESCALA
REDUCIDA
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Monitoreo de la extracción.
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EJEMPLOS DE MONITOREO
SISMICO
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REGISTRADOR :Paladin de 6 canales
PC de recepcion de data de los Registradores (paladin)
subterraneo
PC de Proceso en Superficie
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S - 23
P 4
S - 21
S - 20
S - 22
S - 19
P3
S - 10
S - 11
S - 12
Raise 799-1 to
Lv. 4 ,120Alt. to Shaft
PC de
Adquisicion
MASTERSHAFT
Projected Heading
Extension
Projected
Heading
Extension
Projected
Heading Extension
S - 24
Ubicaciones Preliminares
Registradores y Sensores
Nivel 4,060Ing. David Regalado P. 09/06/2006
Ing. David Pegalado P.
Ing. Daniel I. Briones A.
A4
1/1 A
U
Geomecánica
Dibujo
LEYENDA
PALADIN (REGRISTRADOR)
SENSOR (GEOFONO)
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CN4
V3N
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CONCLUSIONES
El control de la estabilidad de las excavaciones asociada a la explotación de unyacimiento nace con el buen Planeamiento y Diseño del minado.
La caracterización de la masa rocosa para el minado es de suma importancia por lo queen todo proyecto u operación minera se debe mantener actualizada esta información.
Si bien es cierto que la selección del método de minado es una tarea de Planeamiento, sinembargo, en la decisión final los aspectos geomecánicos juegan un rol importante.
El dimensionamiento del minado tiene sus propias características según cada método deexplotación. Cada método tiene sus aspectos geomecánicos propios.
Una de las herramientas más importantes para controlar la estabilidad local y global dela mina es el secuenciamiento del minado, por lo que se le debe prestar mucha atención.
Para el sostenimiento (incluyendo el relleno) se deben establecer estándares de controlde calidad antes, durante y después de su instalación para: materiales, equipos,procedimiento y rendimiento.
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Gracias