ESTUDIO EXPERIMENTAL DE LA PERMEABILIDAD DE MATERIALES DEPOSITADOS EN PILAS DE LIXIVIACIÓN DE COBRE

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1 ESTUDIO EXPERIMENTAL DE LA PERMEABILIDAD DE MATERIALES DEPOSITADOS EN PILAS DE LIXIVIACIÓN DE COBRE Emilio López, M. Sc. Universidad de Chile Ramón Verdugo Profesor Adjunto, Universidad de Chile, RESUMEN La práctica ha mostrado que existen cambios de permeabilidad en las pilas durante el proceso de lixiviación. En esta investigación se muestra que la permeabilidad medida en laboratorio en este tipo de materiales no varía al utilizar soluciones ácidas en lugar de agua. Los cambios de permeabilidad en las pilas se deberían a migración y reubicación de partículas de menor tamaño dentro de ellas, la cual podría potenciarse debido a la creación de finos por efecto del ácido. 1. INTRODUCCIÓN. En la minería del cobre la lixiviación en pilas es uno de los métodos utilizados para extraer el metal desde la roca mineral que en los últimos años ha sido ampliamente implementado para minerales de baja ley. Básicamente, el método consiste en formar pilas de gran extensión, y en algunos casos de gran altura, con el mineral que contiene el cobre, las que son regadas en su parte superior con soluciones ácidas cuyo compuesto principal es el ácido sulfúrico. Este último provoca que el cobre sea lixiviado, es decir, que sea traspasado desde el mineral a la solución ácida. Para recuperar las soluciones, previo a la construcción de la pila se impermeabiliza el suelo de fundación, en general con geomembranas, y se instalan tuberías ranuradas a través de las cuales se colectan las soluciones. La práctica ha mostrado que existen cambios de permeabilidad de estos depósitos durante el proceso de lixiviación, lo que afecta la colección de las soluciones y puede también influir negativamente en la estabilidad estática y sísmica de las pilas. Por otra parte, utilizando procedimientos convencionales de laboratorio existe la experiencia de dificultades en la medición de la permeabilidad en materiales como los que se depositan en las pilas. Una de las hipótesis que se manejaba previo a esta investigación es que la permeabilidad de estos materiales varía si la solución que percola es solución ácida, como las utilizadas en la lixiviación de minerales de cobre, o si es agua como se utiliza comúnmente en ensayos de permeabilidad en laboratorio. En esta investigación se realizaron ensayos de permeabilidad en laboratorio sobre tres diferentes materiales provenientes de tres obras mineras, incluyendo ensayos con soluciones compuestas de ácido sulfúrico y agua, a fin de analizar los efectos de éstas en la permeabilidad de los depósitos. Los ensayos fueron realizados en un permeámetro de pared flexible cuyos componentes son resistentes a la acción del ácido sulfúrico (López, 212). Paralelamente, se evaluó la estabilidad interna de los materiales, utilizando criterios basados en las curvas granulométricas con el fin de estudiar el fenómeno de migración de partículas en este tipo de materiales. 2. Materiales Estudiados. Se realizaron ensayos en muestras de tres diferentes suelos, correspondientes a minerales de cobre provenientes de las minas Spence, Collahuasi y El Tesoro. Las muestras fueron facilitadas por Minera Spence S.A., Compañía Minera doña Inés de

2 Porcentaje que pasa [%] Collahuasi y la empresa Terral S.A., en el caso de los suelos de El Tesoro. Cada uno de estos materiales fue entregado en condiciones particulares al momento de iniciar esta investigación, las que se describen en la Tabla 1. Proveniencia (Simbología 1 ) Spence (S) Collahuasi (C) El Tesoro (ET) Tabla 1. Materiales estudiados Condición de los materiales previo a los ensayos Ripios de cobre chancados previamente lixiviados de forma incompleta. Debido a problemas de estancamiento de soluciones en las pilas 2, había sido posible obtener sólo el 4% del cobre contenido en el mineral. Minerales de cobre previamente chancados y aglomerados con solución ácida pero sin ser sometidos a proceso de riego. Minerales de cobre ROM (run off mine 3 ) previamente aglomerados con solución ácida pero sin ser sometidos a proceso de riego. 1 Esta simbología es utilizada para describir las distintas muestras ensayadas 2 Información proporcionada por Spence 3 Run off mine, mineral que no es sometido al proceso de chancado antes de cargarlo en las pilas En la Figura 1 se presentan las granulometrías de los tres suelos estudiados. Se observa que las curvas granulométricas de las muestras provenientes de Spence y Collahuasi tienen una forma similar, siendo la muestra de Collahuasi algo más gruesa que la de Spence. La distribución de tamaños corresponde a aquella conocida como gap graded (con ausencia de algún tamaño). Por otra parte, la curva granulométrica de la muestra de El Tesoro tiene una forma diferente, mejor graduada, y por la tanto, una distribución de tamaños completamente diferente. Cabe señalar que esta muestra no fue sometida a chancado (Mineral ROM). 1, 9, 8, 7, Spence Collahuasi El Tesoro 6, 5, 4, 3, 2, 1,,,,1,1,1 1, 1, 1, Figura 1. Materiales estudiados Se determinaron los límites de Atterberg a la porción de tamaño menor a la malla ASTM #4, en cuyos ensayos se evaluó, además, la influencia del ácido y el secado en horno en la plasticidad de este tipo de suelos. Los ensayos se realizaron de forma convencional sobre las muestras en las condiciones iniciales recibidas, de acuerdo a la Tabla 1, siendo las únicas diferencias la solución utilizada y la forma de secado previo a la obtención de la humedad. Los siguientes ensayos fueron realizados: Ensayos con agua y secados al aire; Ensayos con ácido y secados al aire; Ensayos con agua y secados al horno a 5 C.

3 índice de Plasticidad [%] Los resultados de estos ensayos se presentan en la Carta de Plasticidad de la Figura Spence (aire y agua) Spence (horno y agua) Spence (aire y ácido) Collahuasi (aire y agua) Collahuasi (horno y agua) Collahuasi (aire y ácido) El Tesoro (aire y agua) El Tesoro (horno y agua) El Tesoro (aire y ácido) Collahuasi CL El Tesoro Línea A CH MH 1 Spence 5 CL - ML ML Límite líquido [%] Figura 2. Carta de plasticidad La Carta de Plasticidad indica que los finos de todos los suelos clasifican como arcillas de baja plasticidad, salvo por las muestras de Spence ensayadas con agua y secada al horno y la ensayada con ácido y secada al aire, las cuales clasifican como arcillas limosas (CL-ML). No se observan cambios importantes en la plasticidad de los finos debido a la utilización de ácido en el ensayo, ni tampoco debido al secado al horno. Con los análisis granulométricos y los límites de Atterberg medidos en forma tradicional, se realizó la clasificación de los suelos según el sistema USCS. Los resultados se presentan en la Tabla 2. Tabla 2. Clasificación USCS de los suelos Suelo Tam. Máx. % finos D 5 (mm) LL (%) LP (%) IP (%) Cu Clasificación USCS Spence 1 32,5 1, SC Collahuasi 1 19,5 6, GC El Tesoro ¾ 27,3, SC Se observa a partir de la Tabla 2, que los suelos de Spence y El Tesoro clasifican como arenas arcillosas, mientras que el suelo proveniente de la mina Collahuasi clasifica como una grava arcillosa. 3. ENSAYOS DE PERMEABILIDAD 3.1 PROGRAMA DE ENSAYOS. La Tabla 3 presenta el programa de ensayos de permeabilidad llevado a cabo. Tabla 3. Programa de ensayos de permeabilidad Solución utilizada Suelo ensayado N de muestras ensayadas Denominación de las muestras Agua Collahuasi 2 C-1, C-6 Spence 3 S-1, S-3 y S-6 El Tesoro 1 ET-5 Solución ácida Collahuasi 5 C-1, C-2, C-3, C-4 y C-5 Spence 8 S-1, S-2, S-3, S-4, S-5, S-6, S-7 y S-8 El Tesoro 1 ET-4 y ET SUELOS MINA SPENCER. En la Figura 3 se presentan los resultados de los ensayos realizados en la muestra S-1, en la cual se realizaron mediciones de permeabilidad durante aproximadamente 38 días. Se comenzó saturando con un ph de 2,, recirculando la solución ácida sin agregar ácido al recircular la muestra. Luego se realizaron mediciones aproximadamente

4 Permeabilidad [cm/s] Permeabilidad [cm/s] Permeabilidad [cm/s] diarias. Después de alrededor de 24 días se agregó ácido a la muestra hasta alcanzar un ph =,53, continuando con el proceso de recirculación, sin agregar ácido nuevamente. Luego, en torno al día 33, se cambió la solución ácida por agua destilada y se comenzó a permear sin recirculación. Los resultados de los ensayos realizados en la muestra S-1, se presentan en la Figura 3. 1.E-3 Rango k = (1.-3.5)x1-4 cm/s 1.E-4 ph=2, Aumenta acidez desde ph=2, a ph=,53 Se cambia solución por agua destilada Muestra S-1 1.E Tiempo [hr] Figura 3. Ensayos de permeabilidad Spence De la Figura 3 se puede observar que la permeabilidad no cambió significativamente al cambiar la solución permeante. Los mayores cambios se presentaron al comienzo, cuando se produjo una baja en la permeabilidad, lo que se podría deber a una baja saturación de la muestra. Sin considerar esta disminución, los valores de permeabilidad obtenidos en esta muestra están en el rango 1,5x ,5x1-4 cm/s, lo que representa un cambio que es irrelevante en términos de diseño. 3.3 SUELOS MINA COLLAHUASI. En estos suelos se realizó una comparación entre las muestras C-2, C-3 y C-6, las cuales fueron confeccionadas a densidades similares. La muestra C-2 fue saturada con solución ácida de ph =,53; una vez completada la saturación, se realizaron mediciones de permeabilidad, recirculando la solución ácida sin agregar ácido extra. La muestra C-3 se ensayó de la misma forma pero con un ph = 2,, mientras que la muestra C-6 se ensayó con agua destilada y sin recirculación. Los resultados se presentan en la Figura 4. Permeabilidad en el tiempo Muestra: C-2 Permeabilidad en el tiempo Muestra: C-3 1.E-1 1.E-1 1.E-2 1.E Tiempo [hr] Ensayo realizado con solución ácida, ph =.53 k = 9x1-3 cm/s 1.E-2 1.E-3 Ensayo realizado con solución ácida, ph = 2. k = 1x1-2 cm/s Tiempo [hr]

5 Permeabilidad [cm/s] Permeabilidad [cm/s] Permeabilidad en el tiempo Muestra: C-6 1.E-1 Ensayo realizado con agua k = 1x1-2 cm/s 1.E Tiempo [hr] Figura 4. Ensayos de permeabilidad Collahuasi A partir de la Figura 4 se puede observar que los valores finales obtenidos para la constante de permeabilidad son muy similares y sólo presentan pequeñas variaciones entre 9x1-3 cm/s y 1x1-2 cm/s. Por lo anterior, se puede concluir que este suelo no se ve afectado por la solución utilizada en el ensayo de permeabilidad. 3.4 SUELOS MINA EL TESORO. En este material se realizó una comparación entre las muestras ET-4 y ET-5. La muestra ET-4 fue saturada con solución ácida de ph = 2,, y una vez completada la saturación se realizó la medición de permeabilidad. La muestra ET-5 fue ensayada utilizando agua destilada, con tres mediciones de permeabilidad sin realizar recirculación. Los resultados se presentan en la Figura 5. En esta figura también se han graficado los resultados de la muestra S-1, de Spencer a fin de comparar los resultados. 1E-3 1E-4 k= 2,x1-5 7,x1-5 cm/s 1E-5 ET-4, ph=2, ET-5, agua S Tiempo [hr] Figura 5. Ensayos de permeabilidad El Tesoro A partir de la Figura 5 se puede observar que los valores finales obtenidos para la constante de permeabilidad son muy similares. A simple vista, pareciese que existiese una diferencia importante en las dos muestras ensayadas, no obstante, al compararlos en escala logarítmica con la muestra de Spencer, es posible apreciar que la diferencia no es significativa. En este caso, los resultados indican una permeabilidad de 7x1-5 cm/s para la muestra ensayada con solución ácida y de 2X1-5 cm/s para la muestra ensayada con agua. Por lo tanto, se puede concluir que este suelo, al igual que los otros dos utilizados en esta investigación, no se ve afectado por la solución utilizada en el ensayo de permeabilidad. 3.5 GRANULOMETRIAS POST ENSAYO. Luego de realizar los ensayos de permeabilidad, se realizó análisis granulométricos a cada una de las muestras ensayadas. En las Figuras 6, 7 y 8 se presentan estos resultados para cada uno de los suelos estudiados.

6 Porcentaje que pasa [%] Porcentaje que pasa [%] Porcentaje que pasa [%] S- Sin ensayar S-1 S-2 S-3 S-4 S-5 S-6 1. S-7 S Figura 6. Granulometrías post ensayo, Spence C- sin ensayar C-1 C-2 C-3 C-4 1. C-5 C Figura 7. Granulometrías post ensayo, Collahuasi ET- sin ensayar 2 ET-4 1 ET-5 ET Figura 8. Granulometrías post ensayo, El Tesoro A partir de las Figuras 6, 7 y 8 se puede observar que el principal efecto provocado por la ejecución del ensayo de permeabilidad en la granulometría del suelo, fue la disminución del porcentaje de finos de las muestras ensayadas. Esta disminución se podría explicar por dos efectos: la migración y la lixiviación de los finos. Cabe notar que también es posible que exista creación de finos debido a un chancado químico de las partículas mayores, con lo cual la migración de finos podría ser incluso mayor. Pese a que algunos de los ensayos se realizaron con agua, no se descarta que en éstos pueda haber ocurrido lixiviación, debido a que las muestras contenían ácido antes de comenzar el ensayo. La Tabla 4, presenta los porcentajes de finos en cada una de las muestras ensayadas. También se incluye el porcentaje de finos de las muestras antes de ensayar. Tabla 4. Disminución del porcentaje de finos

7 SPENCE Muestra % de finos Disminución del % de finos S- (sin ensayar) 32,5 - S-1 3,1 2,4 S-2 26,9 5,6 S-3 25,4 7,1 S-4 28,9 3,6 S-5 28,2 4,3 S-6 25,5 7, S-7 24,3 8,2 S-8 28,1 4,4 COLLAHUASI Muestra % de finos Disminución del % de finos C-, (sin ensayar) 19,5 - C-1 17,4 2,1 C-2 16,7 2,8 C-3 14,2 5,3 C-4 14,5 5, C-5 14,3 5,2 C-6 12,2 7,3 EL TESORO Muestra % de finos Disminución del % de finos ET- (sin ensayar) 27,3 - ET-4 25,6 1,7 ET-5 22,3 5, En la Tabla 4 se observa que existe una gran disminución en el porcentaje de finos, especialmente en las muestras de Spence y Collahuasi, donde se alcanza valores máximos de 8,2% y 7,3%, respectivamente. Las muestras de El Tesoro presentan una menor disminución en el porcentaje de finos, no obstante, se alcanzó una disminución máxima de 5,% de finos, lo cual también representa una disminución importante. Cabe notar que la disminución del porcentaje de finos toma en cuenta el efecto de migración, lixiviación y chancado químico. Este último podría actuar creando finos, y por lo tanto, la pérdida de finos por migración y lixiviación podría ser mayor a la disminución considerada en la Tabla ESTABILIDAD INTERNA. Debido a la gran disminución de finos observada en los ensayos de permeabilidad, se estudió el fenómeno de estabilidad interna, lo cual fue realizado mediante el método desarrollado por Kezdi (Kezdi, 1979) y el presentado por Kenney & Lau (Kenney and Lau, 1985). Ambos son métodos cualitativos basados en la curva granulométrica de los suelos. 4.1 METODO DE KEZDI. Kezdi ideó un método en el cual la curva granulométrica de un suelo se divide en dos, una parte fina y una gruesa. A estos dos nuevos suelos, se les analiza según las propiedades de filtro-base dadas por Terzaghi, considerando que la parte gruesa es el filtro y la parte más fina es la base de material a proteger, como se muestra en la Figura 9. Este análisis se realiza para distintos tamaños, hasta encontrar el valor máximo de D 15 /d 85. Si este valor es mayor a cuatro, el suelo es potencialmente inestable internamente. En caso contrario, el suelo es estable internamente. Los valores más altos de D 15 /d 85, también indican cuáles son los tamaños más susceptibles a migrar. Este método es muy útil para suelos del tipo gap graded, es decir, con ausencia de algún tamaño, especialmente cuando el tamaño que falta se encuentra en el sector medio de la curva granulométrica y el suelo no posee un contenido de finos mayor al 35% (Órdenes, 28). 4.2 METODO DE KENNEY Y LAU. Kenney y Lau desarrollaron un criterio basado en la curva granulométrica que funciona graficando, para una curva granulométrica dada, los pares ordenados (F,H), definiendo F como la fracción menor a un determinado diámetro, D, y H como la fracción de material contenido entre los tamaños D y 4D. El valor 4D se debe a que el tamaño predominante de poros contenidos en una red de vacíos de partículas de tamaño D, es aproximadamente D/4. En este criterio se ha impuesto que sólo aquellas partículas más grandes que D/4 no podrán movilizarse. En el mismo gráfico, se dibuja la recta H/F=1. Si parte de la curva se encuentra por debajo de esta recta, el suelo es potencialmente inestable internamente. En caso contrario, el suelo es estable

8 Porcentaje que pasa [%] H [%] Porcentaje que pasa [%] H [%] internamente. La recta para definir el criterio ha sido corregida de acuerdo a las contribuciones de Ripley (1986), Milligan (1986), y Sherard (1986), ya que inicialmente fue definida como H/F=1,3. Un ejemplo del método se puede observar en la Figura 9. Se debe tener en cuenta que el criterio desarrollado por Kenney y Lau fue desarrollado en base a pruebas de filtración en gravas arenosas, y por lo tanto, su extensión a otros tipos de suelos debe ser analizada en mayor detalle, sobre todo en suelos con finos plásticos. 4.3 ESTABILIDAD INTERNA DE LOS SUELOS ESTUDIADOS. Los tres suelos fueron sometidos a evaluación mediante los dos métodos presentados, para lo cual se utilizaron las granulometrías integrales (incluyendo partículas menores a,74 mm). Los resultados se presentan a continuación en las Figuras 9 a 11 y en la Tabla 5. Método de Kezdi Método de Kenney y Lau Arcillas Limos Arenas Gravas f = D' 15 /d' 85 = 2 fina d' 85 S f = 32,5% fina D' 15 gruesa H/F=1, Figura 9: Evaluación de la estabilidad interna, Spence Método de Kezdi Arcillas Limos Arenas Gravas f = D' 15 /d' 85 = 23 d' 85 S f = 21,6% D' 15 gruesa H+F=1, 1 H/Fmin=, F [%] Método de Kenney y Lau H+F=1, H/F=1, H/F=1, H/F=1 H/F =, H+F=1, 1 H/Fmin=, F [%] Figura 1: Evaluación de la estabilidad interna, Collahuasi Método de Kezdi Método de Kenney y Lau

9 Porcentaje que pasa [%] H [%] Arcillas Limos Arenas Gravas f = D' 15 /d' 85 = 3,75 fina d' 85 S f = 33,5% D' 15 gruesa H/F=1, H/Fmin=,58 H+F=1, F [%] Figura 11: Evaluación de la estabilidad interna, El Tesoro La Figura 12 muestra los resultados de ensayos llevados a cabo por Ahlinham (21) en suelos arenosos. En esta figura se presenta un gráfico que relaciona el gradiente crítico con el cual comienza la migración de partículas con la relación D 15 /d 85. Estos resultados muestran que el potencial de inestabilidad interna de las muestras de Spence y Collahuasi es muy alto y según estos resultados, la migración de partículas podría comenzar a producirse a gradientes tan bajos como.2. En el caso de los suelos de El Tesoro, la migración de partículas se produciría a gradientes algo mayores variando entre.3 y.6, los cuales también representan valores bajos. Tabla 5. Estabilidad interna Muestra C u S f [%] D 15 /d 85 (H/F) min Spence ,5 2,,17 Collahuasi ,6 23,,23 El Tesoro 4 33,5 3,75,58 Figura 12: Resultados obtenidos por Ahlinhan y Achmus (Ahlinhan and Achmus, 21) 5 CONCLUSIONES A la luz de los resultados, la medición de la permeabilidad en laboratorio utilizando soluciones ácidas no presenta diferencias significativas respecto a la medición utilizando agua destilada. Resultados deficientes o contradictorios que pudieran haberse obtenido en experiencias anteriores en este tipo de suelos, podrían deberse a la utilización de equipos inadecuados compuestos de piezas hechas de metales lixiviables al contacto con ácido sulfúrico. Los resultados obtenidos permiten desestimar el efecto directo y negativo de las soluciones ácidas en términos de la medición en laboratorio de la permeabilidad en materiales como los

10 depositados en pilas de lixiviación de cobre, criterio que hasta aquí ha primado para explicar los cambios de permeabilidad observados en terreno. Dos de los materiales estudiados presentan granulometrías que permiten y propician inestabilidad interna frente al flujo. Como se podía entonces esperar, en los ensayos realizados sobre estas muestras se han observado cambios producidos por migración de partículas. La inestabilidad interna pudo ser constatada teóricamente mediante los métodos desarrollados por Kenney y Lau, y Kezdi. Se puede concluir que la mayor parte de los cambios globales de permeabilidad en las pilas de lixiviación de cobre se deben a la migración de partículas de menor tamaño que terminan por relocalizarse en determinados planos constituyendo subestratos comparativamente impermeables. La migración podría ser potenciada a través de la generación de finos por chancado químico de las partículas mayores producto del ácido sulfúrico. La similitud entre las formas de las curvas granulométricas de los suelos provenientes de Spence y Collahuasi y el alto potencial de inestabilidad interna que presentan, indican que en estos casos los criterios con los que son chancados los materiales podrían ser modificados, de forma de producir granulometrías de menor inestabilidad interna. 6 AGRADECIMIENTOS. El trabajo presentado en este paper no habría sido posible sin la colaboración de las mineras Doña Inés de Collahuasi y Spence, quienes facilitaron muestras de sus faenas, y Sociedad Terral S.A., quienes proveyeron las muestras de El Tesoro. 7 REFERENCIAS Alhinhan, M. and Achmus, M. (21) Experimental Investigation of Critical Hydraulic Gradient for Unstable Soils. Scour and Erosion, Porceedings of the Fifth International Conference on Scour and Erosion, Kenney, T. and Lau, D. (1985) Internal stability of granular filters. Can. Geotech. J., 22(2), Kezdi, A. (1979). Soil physics. Amsterdam: Elsevier. López, E. (212). Estudio Experimental de la Permeabilidad de Materiales Depositados en Pilas de Lixiviación de Cobre, Tesis para optar al grado de magíster en ciencias de la Ingeniería, mención Ingeniería Geotécnica, Universidad de Chile. Milligan, V. (1986). Internal stability of granular filters: 1 Discussion. Canadian Geotechnical Journal. 23, Órdenes, S.(28). Inestabilidad Interna en Materiales de Origen Glacial, Tesis para optar al grado de magíster en ciencias de la Ingeniería, mención Ingeniería Geotécnica, Universidad de Chile. Ripley, F. (1986). Internal stability of granular filters: 1 Discussion. Canadian Geotechnical Journal 23, Sherard, J. and Dunnigan, L. (1986). Internal stability of granular filters: 1 Discussion. Canadian Geotechnical Journal. J23,