OPERACIÓN Y CONTROL DE TRANQUES DE RELAVE

Transcripción

1 OPERACIÓN Y CONTROL DE TRANQUES DE RELAVE Dr. Ing. Juan H. Palma G. Escuela de Ingeniería en Construcción

2 LA INDUSTRIA MINERA EN CHILE La minería es una de las principales actividades económicas de Chile y es la más importante en la zona norte del país. El desierto de Atacama, pobre en recursos agrícolas, forestales e hidrológicos, alberga los principales yacimientos de cobre, oro, plata, hierro y productos minerales derivados de salares, como nitratos, boro, yodo, litio, potasio y otros. La abundancia de recursos naturales como el cobre asociado al molibdeno y el oro entremezclado con la plata, junto con el producto de los salares, han hecho de Chile un país minero.

3 LA INDUSTRIA MINERA EN CHILE Si bien Chile ha sido conocido desde la antigüedad como un gran productor de minerales, a partir de 1990 la minería creció substancialmente a niveles nunca antes alcanzados, especialmente en la producción de cobre, oro y otros minerales no metálicos. Ello fue el resultado de una política económica basada en la búsqueda de ventajas comparativas y de un incentivo al ingreso de capitales externos para suplir la carencia de inversión interna. POSICIÓN AMÉRICA LATINA MUNDO COBRE 1 1 (34%) MOLIBDENO 1 3 (15,3) PLATA 3 6 (6%) ORO 6 18 (1,5%) NITRATO 1 1 (100%) MINERAL DE BORO 2 3 (18,6%) LITIO 1 1 (35%) YODO 1 1 (62%) Producción minera: Participación de Chile en América Latina y el mundo. Fuente: Compendio de la Minería Chilena 2011

4 LA INDUSTRIA MINERA EN CHILE Evolución de la producción de cobre en Chile, entre el año 1900 y el año Fuente: Sistema de medición de la estabilidad de depósitos mineros de relavefrentealaaccióneólica,parasu recuperación como espacio urbano sostenible. El caso de la ciudad de Copiapó en Chile. Tesis Doctoral Pamela Valenzuela T., U. Politécnica de Madrid, 2016.

5 DISTRIBUCIÓN GEOGRÁFICA DE LA PRODUCCIÓN MINERA METÁLICA EN CHILE La mayor parte de la producción de metales en Chile se concentra en el norte, entre las regiones de Antofagasta y Coquimbo, siendo Antofagasta la región más importante para la extracción de cobre, molibdeno y plata (54%, 33% y 38%, respectivamente). Por su parte, la Región de Atacama alberga el 76% de la producción de hierro y un 39% de la producción de oro. Chile es el mayor productor de cobre en el mundo con reservas estimadas en 190 millones de toneladas, representando el 30% de las reservas mundiales de éste mineral. Mineral Región Arica-Parin. Tarapacá Antofagasta Atacama Coquimbo Valparaíso Metropolit. Lib Gral. B.O. Aysén Cobre t Molibdeno t Oro kg Plata kg Plomo t Zinc t Hierro t min Total Fuente: Compendio de la Minería Chilena 2011

6 RESIDUOS GENERADOS POR LA ACTIVIDAD MINERA Por su naturaleza, los procesos mineros generan diferentes tipos y cantidades de residuos, que pueden se clasificados de acuerdo a su origen, peligrosidad, características físicas y químicas, volumen, entre otros. La producción de residuos sólidos mineros alcanza elevadas proporciones. Mina Subterr. o Rajo Chancado Molienda Flotación u otros procesos Filtración y secado Aglomeración y Curado Lixiviación Explotación Procesamiento de minerales RESIDUOS Estériles (sobrecarga, lastre) Minerales de baja ley Polvo Agua de mina Polvo Relaves Ripios Agua de proceso Residuos industriales Los grandes volúmenes generados potencialmente son causa de importantes impactos ambientales y riesgos, por lo que requieren ser manejados adecuadamente. Fundición Electrorefinación Concentración (Extr. por solv., Adsor./elución) Electroobtención Metalurgia extractiva Gases y Polvo Escorias Borras y lodos Acido sulfúrico Agua de proceso Residuos industriales

7 DEPÓSITOS DE RELAVE Según varios expertos, se estima actualmente una producción de relave superior al millón cuatrocientas mil toneladas diarias (SERNAGEOMIN, 2015). Se estima que la producción de relaves podría casi duplicarse al año 2035, si hoy cada 36 horas se depositan en Chile relaves equivalentes a un cerro Santa Lucía, dentro de 20 años lo haremos sólo en 21 horas (Roadmap Tecnológico de la Minería 2035). DEPÓSITOS EN LA SUPERFICIE DE LA TIERRA DEPÓSITOS BAJO LA SUPERFICIE DE LA TIERRA DEPÓSITOS MARINOS O LACUSTRES TRANQUES DE ARENAS DE RELAVES. EMBALSES O TRANQUES CON MATERIAL DE EMPRESTITO. DEPOSITOS DE RELAVES EN PASTA, ESPESADOS O FILTRADOS (*) DEPÓSITOS EN MINAS DE EXPLOTACIÓN. DEPÓSITOS EN MINAS ABANDONADAS. DEPÓSITOS EN EXCAVACIONES ABIERTAS. DEPÓSITOS MIXTOS. DEPÓSITOS COSTEROS DEPÓSITOS SUBMARINOS (*) Filtrados: ω < 20%; Espesados: sedimentación con espesadores; Pasta: situación intermedia AGUAS ARRIBA EJE CENTRAL AGUAS ABAJO

8 DEPÓSITOS DE RELAVE En la reglamentación vigente en Chile, se distinguen distintos tipos de depósitos de relave: Depósito de relave Filtrados Depósito de relave Espesados Depósito de relave en Pasta Embalses de relave Tranques de relave

9 TRANQUES DE RELAVE Tranque tipo aguas arriba (up stream) Tranque tipo eje central (center line) Tranque tipo aguas abajo (down stream) Disposición de relaves mediante hidrociclones

10 OTROS DEPÓSITOS DE RELAVE Embalse o tranque con material de empréstito Depósito de relave en pasta Depósito de relave filtrado Depósito de relave espesados

11 DEPÓSITOS DE RELAVE Según datos de SERNAGEOMIN, 2015, existen 651 depósitos de relaves en el territorio nacional, de los cuales 158 se encuentran activos, lo que corresponde al 24%. La mayor parte de los depósitos catastrados corresponden a tranques de relave. La mayoría de los depósitos se distribuyen entre las regiones II y Metropolitana, destacando la abundancia en las regiones de Atacama y Coquimbo. Depósitos a nivel nacional, según estado. Fuente: Catastro de deposito de relaves, 2015

12 ESTABILIDAD FÍSICA EN DEPÓSITOS DE RELAVE Entre los principales factores que afectan la estabilidad de un depósito de relave están: Condiciones de emplazamiento (Climatología y factores geológicos como Sismicidad; Condiciones de fundación; Pendiente del suelo fundación y grado de confinamiento del terreno circundante) Deficiencias del diseño (método de construcción ; configuración geométrica (altura, volumen, ángulo de talud); propiedades geotécnicas del relave) Inadecuada operación y control (control del material, control geométrico; controles geotécnicos (compactación, humedad, nivel piezométrico); tasa de depositación.

13 PRINCIPALES RIESGOS DE INESTABILIDAD FÍSICA ASOCIADOS A TRANQUES DE RELAVE Inestabilidad de taludes en condición estática o sísmica Licuación sísmica del muro resistente Licuación estática del muro resistente Rebalse y vaciamiento Deformaciones excesivas del muro resistente Erosión interna del muro resistente Inestabilidad del suelo de fundación Erosión del muro resistente por efecto hídrico o eólico

14 ESTABILIDAD FÍSICA EN DEPÓSITOS MASIVOS. DEPÓSITOS DE RELAVE Overtopping: Este fenómeno tiene dos opciones de falla, las de tipo prolongado y las de ola. Las fallas prolongadas ocurren cuando la cota del espejo de agua es mayor a la cota que posee el prisma resistente del depósito, mientras que la de ola se genera cuando pequeños volúmenes de agua que pasan por sobre el prisma resistente producto del viento, sismo o deslizamientos de tierra al interior de la cubeta. Todos los casos son peligrosos puesto que generan erosión y fuerzas imprevistas sobre el muro del tranque. La causa más común de overtopping son los eventos climáticos, como lluvias intensas en un corto periodo de tiempo.

15 ESTABILIDAD FÍSICA EN DEPÓSITOS MASIVOS. DEPÓSITOS DE RELAVE Erosión interna (Piping/tubificación): Corresponde al arrastre de material fino a lo largo de una vía de filtración, a través o bajo un depósito, formando una red de micro tubos, permitiendo el flujo constante a través de ellos. La tubificación se puede generar a partir de filtraciones existentes en la cara de un depósito, con suficiente velocidad para causar la erosión interna. Los espacios resultantes vaciados promueven la progresiva erosión desde aguas arriba, en el peor de los casos la filtración puede dar resultado a la creación de un canal directo desde la cubeta a la cara de la presa.

16 ESTABILIDAD FÍSICA EN DEPÓSITOS MASIVOS. DEPÓSITOS DE RELAVE Falla del suelo de fundación: Estos problemas no son ajenos a las estructuras de tierras, ya que si existe una capa débil de suelo o roca a poca profundidad bajo la estructura, podrían ocurrir movimientos a lo largo de un plano de falla, si es que el peso de la estructura produce esfuerzos que superen la resistencia al corte del suelo en la capa débil. Las fallasdelsuelodefundación,lamayoríadelasvecessegenerandebidoa una falta de información o malinterpretación de los antecedentes disponibles. Una falla del suelo de fundación se puede generar por los siguientes mecanismos: erosión interna bajo el tranque, colapso o derrumbe del suelo de fundación, o consolidación. Las propiedades que son importantes a conocer corresponden al tipo de suelo de fundación y las fracturas presentes en la roca basal. (Boyer, 2006).

17 ESTABILIDAD FÍSICA EN DEPÓSITOS MASIVOS. DEPÓSITOS DE RELAVE Inestabilidad de talud: Puede ser generada por taludes con pendientes importantes, cercanos al ángulo en reposo que adoptan este tipo de materiales en estado saturado; variación de la posición del nivel freático en relación al considerado en el diseño del tranque, debido a crecidas, lluvias intensas; mal manejo de la laguna de aguas claras ; aumento del grado de saturación por operación inadecuada; presencia de una capa de baja resistencia en el muro resistente; pérdida de resistencia al corte y/o asentamientos del suelo de fundación; geometría inadecuada en relación al ancho de coronamiento, y altura de revancha. La inestabilidad de talud sísmica corresponde a una falla originada por la carga cíclica aportada por el sismo y depende mucho de las propiedades de los materiales usados para construir el prisma resistente, así como de las propiedades de los relaves contenidos en la cubeta.

18 ESTABILIDAD FÍSICA EN DEPÓSITOS MASIVOS. DEPÓSITOS DE RELAVE Licuación sísmica: Se produce por la acción de fuerzas cíclicas externas de rápida acción tales como sismos y explosiones, en el caso de depósitos que no han sido diseñados, construidos u operados de manera adecuada. La acción de estas solicitaciones conduce al aumento de las presiones intersticiales, sin posibilidad de que sean disipadas de manera rápida en relación al tiempo de carga, hasta anular parcial o totalmente los esfuerzos efectivos de confinamiento y por consecuencia la resistencia al corte de las arenas. Luego se genera el colapso de la estructura constituida por las partículas, generándose grandes deformaciones debido a la baja resistencia al corte de los materiales. Debido a la alta humedad, y densidades relativamente bajas alcanzadas por los relaves vertidos por métodos hidráulicos sin compactar, éstos son muy sensibles a la Licuación (Zardari, 2011).

19 ESTABILIDAD FÍSICA EN DEPÓSITOS MASIVOS. DEPÓSITOS DE RELAVE Licuación estática: La disminución de la resistencia puede ocurrir debido a una tasa de depositación rápida (Esfuerzos verticales mayores) y/o a un aumento súbito del nivel freático (incremento de la presión de poros) generalmente asociados a una precipitación fuerte, o la falla de estructuras contenedoras de agua.

20 CASOS DE INESTABILIDAD FÍSICA TERREMOTO 2010 Empresa/tranque Ubicación Estado Causas Consecuencias Tranque Compactación del Fractura longitudinal, subsidencias Cía. Minera Localidad de Chancón, antiguo no muro resistente y desplazamientos del muro de Chilena Rumana. VI Región de O Higgins operativo insuficiente. resistente Tranque Distancia Epicentral adosado a un Ángulo de talud El colapso provocó disminución Planta Chacón 281 km embalse de externo del muro del volumen útil de la cubeta del relaves nuevo. resistente > 1:1,8 (V:H). embalse de relaves adyacente. Vista en la parte central del Tranque que fue afectado por el terremoto

21 CASOS DE INESTABILIDAD FÍSICA EN INSTALACIONES REMANENTES Empresa/tranque Ubicación Estado Causas Consecuencias Sector El Asiento, En operación Compactación insuficiente del El colapso provocó que San Felipe, V hasta octubre de muro resistente. gran volumen del material Cía. Minera Región de 2009 y siendo Ángulo de talud externo del de relaves se desplazara Clarita. Valparaíso paralizado muro resistente > 1:1,2 (V:H). cerro abajo cubriendo el Tranque Nº 1 Distancia Epicentral en forma El método de construcción Tranque N 2 fuera de 415 km definitiva. aguas arriba operación. Vista Fracturas longitudinales, subsidencias y desplazamiento Gran parte del material derramado del Tranque N 1 cubrió el Tranque N 2

22 CASOS DE INESTABILIDAD FÍSICA TERREMOTO 2010 Empresa/tranque Ubicación Estado Causas Consecuencias Comuna de Compactación insuficiente El colapso provocó obstrucción con Tranque de Nogales, Sector El Melón, Fuera de operació del muro resistente. Ángulo de talud externo relaves de una quebrada adyacente y paralela al muro de arenas en una Relaves Veta del Quillota, V Región n del muro resistente > extensión del orden de 100 (m) de Agua N 5 de Valparaíso desde el 1:1,4 (V:H). longitud. Distancia Epicentral 400 km año 1998 El método de construcción aguas arriba El material de relaves obstruye el flujo de agua del estero El Sauce. Vista del Tranque N 5 después de la falla Relave disperso a lo largo de la quebrada Relave disperso a lo ancho de la quebrada

23 CASOS DE INESTABILIDAD FÍSICA TERREMOTO 2010 Empresa/tranque Ubicación Estado Causas Consecuencias COMINOR. Tranque Palmas Las Comuna de Pencahue, VII Región del Maule Distancia Epicentral 133 km Fuera de operación desde el año 1997, cubierto con capa de material arcilloso Licuación sísmica a nivel basal en muro resistente y de la cubeta de embalse, por la saturación (0,5 a 1,0 m) generada por una vertiente no visible, que no fue detectada con posterioridad al cierre. Colapso por licuación provocó accidente fatal a 4 personas que habitaban en una vivienda cercana. Sin embargo el muro de partida redujo el volumen de flujo. Obstrucción con relaves de los esteros Los Ladrones y Las Palmas. Dispersión de relaves en suelos aledaños de particulares. Zona de falla y dirección de flujo del relave licuado Afloramiento de agua que saturó el relave

24 CASOS DE INESTABILIDAD FÍSICA TERREMOTO 2010 Cauce del estero Los Ladrones rellenado por el escurrimiento de relave Tranque de relave después de la falla Represamiento de agua producido por derrame de relave en estero Los Ladrones

25 FACTORES GEOTÉCNICOS CLAVES PARA REDUCIR EL RIESGO DE INESTABILIDAD EN TRANQUES DE RELAVE Pendiente de taludes adecuada Granulometría del relave y Nivel de Compactación adecuado Parámetros resistentes del relave adecuados Bajas o nulas presiones intersticiales al interior del prisma resistente Altura de revancha y ancho de coronamiento suficientes Eficiente Sistema de Drenaje

26 FACTORES GEOTÉCNICOS CLAVES PARA REDUCIR EL RIESGO DE INESTABILIDAD EN TRANQUES DE RELAVE Chile se ubica en una zona geográfica donde ocurren megaterremotos, lo que requiere que se diseñen y construyan depósitos con un adecuado nivel de seguridad en relación a su estabilidad mecánica. Fecha y hora Nombre Zonas afectadas M S Mw Muertos 16 de agosto, 1906 (19.48) Valparaíso de 1906 V Región 7,9 8, de noviembre, 1922 (23.53) Vallenar de 1922 III Región 8,4 8, de diciembre, 1928 (00.06) Talca de 1928 VII Región 8, de enero, 1939 (23.32) Chillán de 1939 VII y VIII regiones 8, de abril, 1943 (12.07) Ovalle de 1943 IV Región 8,3 8, de mayo, 1960 (15.11) Valdivia de 1960 VIII, IX, X y XIV regiones 8,5 9, de diciembre, 1967 (22.25) Tocopilla de 1967 II Región 7, de julio, 1971 (23.03) Illapel de 1971 IV y V regiones y R.M. 7, de octubre, 1981 La Ligua de 1981 V región 7,5 7,5 0 3 de marzo, 1985 (19.46) Santiago de 1985 V, VI, VII regiones y R.M. 7, de junio, 2005 (18.44) Tarapacá de 2005 I Región 7,8 7, de noviembre, 2007 (12.40) Tocopilla de 2007 I y II Región 7,5 7, de febrero, 2010 (03.34) Cauquenes de 2010 V, VI, VII, VIII, IX, X, XIV regiones y R.M. 8,8 8, de abril, 2014 (20.46) Iquique 2014 I; II y XV Regiones 8, de septiembre, 2015 (19.54) Coquimbo 2015 III, IV, V, VI Regiones y R.M. 8,4 15

27 CONTROLES GEOTÉCNICOS OPERACIONALES EN TRANQUES DE RELAVE Pendientes del talud, Altura de revancha y ancho de coronamiento suficientes Controles topográficos Banda granulométrica arenas de relaves % Que pasa Tamaño (mm) Límite inferior Límite superior Control del Material Granulometría del relave % finos* < 20% *(diámetro partículas < 0,076 mm) Permeabilidad superior a 10 4 cm/s

28 CONTROLES GEOTÉCNICOS OPERACIONALES EN TRANQUES DE RELAVE Nivel de Compactación adecuado Ensayo del cono de arena (LNV 62 o NCH 1516) Ensayos de penetración NCh Espesor capas > 20 cm y < 50 cm Densidad del relave 95 % OPN Densímetro nuclear.

29 CONTROLES GEOTÉCNICOS OPERACIONALES EN TRANQUES DE RELAVE Parámetros resistentes del relave adecuados Envejecimiento Poste 40 A. AR Nº de Golpes 0, ,2 2,4 3,6 4,8 6,0 7,2 Profundidad (mt) 8,4 9,6 10,8 12,0 13,2 14,4 15,6 16,8 18,0 Ensayos de penetración 19,2 20, Ensayos de laboratorio Seguimiento de efecto envejecimiento.

30 CONTROLES GEOTÉCNICOS OPERACIONALES EN TRANQUES DE RELAVE Bajas o nulas presiones intersticiales al interior del prisma resistente Eficiente Sistema de Drenaje

31 ALTERNATIVAS EFICIENTES Y AMIGABLES CON EL ENTORNO Encapsulamiento y aislación de depósitos Remoción y reubicación de depósitos Reubicación de antiguos depósitos en áreas más seguras y amigables con el entorno (con o sin reprocesamiento del material) Backfill de rajos y minas Reutilización de residuos como material de construcción Disposición controlada en el mar Es posible??

32 DESAFÍOS A CONSIDERAR EN DEPÓSITOS DE RELAVE El incremento esperado de la producción, sumado a la escasez de superficie para los depósitos y el cuestionamiento por parte de la comunidad, sugieren revisar los procedimientos actuales de depositación, evaluar la metodología de diseño de nuevos depósitos y buscar alternativas para mitigar el impacto que pueden generar aquellos tranques que actualmente se encuentran en operación (ROADMAP TECNOLÓGICO DE LA MINERÍA 2035).

33 Grupo de Geotecnia Pontificia Universidad Católica de Valparaíso

34 DESAFÍOS A CONSIDERAR EN DEPÓSITOS DE RELAVE Minimizar el impacto de las infiltraciones y asegurar la estabilidad de los depósitos Cero descarga a través de la captura y tratamiento de infiltraciones y aguas de contacto. Perfeccionamiento y desarrollo de métodos pasivos, activos y combinados. Tecnologías para evitar la generación de infiltraciones postcierre, incluyendo el manejo de las aguas superficiales y su interacción con el depósito, e impermeabilización (recubrimiento o sellado) de los depósitos. Tratamiento y neutralización de residuos previo a su depositación. Perfeccionamiento y desarrollo de tecnologías de bajo costo, simples, eficientes y escalables para el tratamiento (neutralización) de los residuos previo a su depositación.

35 DESAFÍOS A CONSIDERAR EN DEPÓSITOS DE RELAVE Impermeabilización de futuros depósitos. Desarrollo de tecnologías para la impermeabilización de la base de futuros depósitos como biosellado, polímeros, otros. Localización y seguimiento de infiltraciones. Perfeccionamiento y desarrollo de tecnologías de bajo costo para la localización y seguimiento de infiltraciones. Nuevas técnicas de caracterización de sitios para depósitos. Perfeccionamiento y desarrollo de tecnologías de bajo costo para la caracterización de sitios.

36 DESAFÍOS A CONSIDERAR EN DEPÓSITOS DE RELAVE Control de emisión de material particulado. Perfeccionamiento de tecnologías existentes tales como fitoestabilizadores, supresores, biomejoradores de suelo, coberturas granulares, biosellado y otras. Perfeccionamiento y desarrollo de modelos predictivos. Desarrollo de trazadores. Desarrollo nuevas tecnologías para el control emisiones. Encapsulamiento de los depósitos Perfeccionamiento y desarrollo de nuevas tecnologías para el encapsulamiento de los residuos.

37 DESAFÍOS A CONSIDERAR EN DEPÓSITOS DE RELAVE Promover la conversión desde un pasivo a un activo Búsqueda de usos industriales de residuos Desarrollo de usos industriales para el residuos. Impermeabilización y relleno de excavaciones mineras. Perfeccionamiento y desarrollo de tecnologías de bajo costo, simples, eficientes y escalables para el tratamiento (neutralización) de los residuos previo a su uso. Recuperación de elementos valiosos. Perfeccionamiento y desarrollo de tecnologías de bajo costo para caracterización del relave para la recuperación de elementos valiosos. Perfeccionamiento y desarrollo de técnicas de muestreo para lograr una alta recuperación. Marcha analítica: tierras raras, otros elementos de interés. Perfeccionamiento y desarrollo de tecnologías para la recuperación de elementos de interés.

38 ALTERNATIVAS EFICIENTES Y AMIGABLES CON EL ENTORNO. DESAFÍOS A CONSIDERAR EN OBRAS Utilización de la superficie de depósitos para otros fines. Industriales, recreativos.

39 DESAFÍOS A CONSIDERAR EN DEPÓSITOS DE RELAVE Propiciar la inclusión y aceptación comunitaria Captura y comunicación en tiempo real de variables críticas para el depósito y su entorno. Definición de estándares seguros para la implementación de redes locales/operacionales. Desarrollo de interfaz comunicacional operadorcomunidad proceso. Perfeccionamiento y desarrollo de modelos fenomenológicos. Desarrollo de sensores para medición de variables críticas en línea. Desarrollo de productos de valor compartido. Generación de energía a partir del transporte de relaves. Aguas para diferentes usos en función de su calidad.

40 Grupo de Geotecnia Pontificia Universidad Católica de Valparaíso