Desafíos a la ingeniería geotécnica en la gran minería

PRESAS DE ARENAS DE RELAVES DE GRAN ALTURA

Producción y depósito de los relaves
La roca mineral extraída que contiene una ley de mineral económicamente atractiva, debe ser tratada por algún proceso a fin de obtener el metal o los metales que contiene. En el caso del cobre, y en forma similar en algunos otros metales, existen dos procesos alternativos: lixiviación en el caso de óxidos de cobre y concentración en el caso de sulfuros de cobre. En el caso del proceso de concentración, la roca finamente molida es tratada en estanques de flotación con agua y reactivos de flotación para rescatar el metal y el resto, que puede ser del orden del 97% del volumen total, constituye un residuo, denominado relave o colas o jales dependiendo del país. El relave es una mezcla de agua y de suelo, este en general correspondiendo a una arena arcillosa o arena limosa, según la mineralogía del yacimiento. Parte del agua es recuperada a la salida del estanque de flotación pero una parte importante es transportada junto con el residuo hasta el depósito.
Si consideramos un nivel de producción de 100.000 toneladas de material tratado por día, (hay varias operaciones sobre 200.000 toneladas) significa que aproximadamente unas 97.000 toneladas de relaves mezclados con agua deben ser depositadas diariamente.
Como en el caso de los depósitos de roca estéril, los volúmenes involucrados en la gran minería son de tal magnitud, que el costo de la construcción y operación de los depósitos de relaves son un aspecto muy relevante en la factibilidad económica de una operación minera. Desde los inicios de la minería “moderna”, segunda mitad del siglo XIX adelante, la solución más aplicada ha sido la de utilizar la parte gruesa de los relaves (arenas) para ir construyendo, a lo largo del tiempo de la operación, la estructura de contención de los relaves utilizando principalmente el método de transporte y de depósito hidráulico usado en la construcción de presas de relleno hidráulico.
Desde el punto de vista constructivo se reconocen tres tipos de crecimiento de este tipo de depósitos: Método de aguas arriba, método de línea central y método de aguas abajo.

Figura 1.

De esos métodos de construcción, el más utilizado por muchos años, fue el de construcción hacia aguas arriba, por ser el más económico; sin embargo, es evidente que es el más vulnerable, ya que se apoya por lo menos parcialmente en los relaves o lamas depositadas.
Una de las mejoras aplicadas ya en el Siglo XX fue la utilización de ciclones, dispositivo mecánico que separa el flujo de relave en dos componentes: uno más grueso (arenas idealmente) y otro más fino (lamas).
El riesgo de licuación estática (no debido a solicitación sísmica) en presas de arena, ya fue tempranamente advertido en las presas de relleno hidráulico con la falla de la presa Las Calaveras en Estados Unidos [19] y estudiado en detalle por el profesor Casagrande desde 1935 [20] cuando propuso la teoría del índice de huecos críticos, como base para definir la línea de “steady state” o de plasticidad perfecta que divide los comportamientos contractivos y dilatantes de los suelos granulares, teoría que aplicó al análisis de la falla de la presa de relleno hidráulico de Fort Peck en 1938 y que discutiera en la Conferencia de Mecánica de Suelos en Buenos Aires [21]. Además, comentada en detalle en la reciente Conferencia Panamericana de Mecánica de Suelos e Ingeniería Geotécnica también en Buenos Aires [22], ocasión en que también se discutió la falla por licuación debido a solicitaciones sísmicas.
La vulnerabilidad de este tipo de presa de arenas de relaves quedó aún más clara en las décadas de 1950-1960, donde hubo un aumento notable de la actividad minera, lamentablemente acompañada de un aumento del número de fallas de presas de arena de relaves, mayoritariamente con construcción hacia aguas arriba y principalmente, pero no únicamente, en países sísmicos, notoriamente Chile y Japón.
Una de las fallas más dramáticas ocurrió en Chile en 1965, donde por causa de la falla de la presa de relaves de El Cobre [25] murieron más de 200 personas, lo que llevó que a partir de 1970 fueran prohibidas en ese país las presas de arenas de relaves construidas con el método aguas arriba.
Recientemente, el 5 de noviembre de 2015, el mundo y la industria minera en particular,

Figura 2.

fueron impactados con la noticia de la falla de la presa de relaves de Fundao en el estado de Minas Gerais, Brasil. El rompimiento de esa presa de arena de relaves de mineral de fierro, producida por la licuación estática de las arenas [26], dañó gran parte del pueblo de Bento Rodríguez ubicado aguas debajo de la presa causando además la muerte de 19 personas y la contaminación del Río Doce por una gran distancia. La empresa minera, un consorcio de dos de las mayores empresas mineras del mundo, no ha podido normalizar su producción y enfrenta demandas civiles por varios miles de millones de dólares, así como imputaciones penales a varios de sus ejecutivos . La presa de Fundao era construida por crecimiento aguas arriba, de acuerdo a un esquema considerado como una optimización del método [27], pero que durante su construcción enfrentó serios problemas, así como la falla de una galería de concreto que desviaba las aguas afluentes a esa bacía. Esta falla, resaltó una vez más la incidencia del factor humano en la operación de este tipo de estructuras.
El aumento del número de fallas de presas de relaves ocurrió en un periodo (1960 -1980) que coincidió con la época en que la minería mundial aumentaba significativamente los niveles de producción. Si bien hubo varios proyectos que adoptaron soluciones de presas de tierra o enrocado convencionales, no todos los proyectos, y especialmente los de la gran minería, podían abordar los costos cuando se trataba de presas muy altas o en lugares donde no había materiales de empréstito a distancias económicas.
Así, nace un gran desafío para la ingeniería geotécnica: cómo construir presas de arenas de relaves que sean seguras aún en condiciones de alta sismicidad y que puedan eventualmente alcanzar alturas finales más allá de lo que se había

Figura 3.

aceptado hasta ese momento.

 

 

El desarrollo de la práctica moderna de construcción de presas de arena de relaves

Como ya se mencionó, debido a problemas presentados por el método de construcción aguas arriba en Chile después del grave accidente de la presa El Cobre en 1965, la legislación local prohibió la construcción de presas de relaves construidas aguas arriba aceptando sólo el método de crecimiento hacia aguas abajo y excepcionalmente el de crecimiento según línea central.
Desde el inicio fue evidente que una de las medidas esenciales era garantizar la calidad y homogeneidad de la arena de relaves (que se obtiene por ciclonaje de los mismos), a través de la implementación de estaciones de ciclones con un control estricto del porcentaje de finos en la arena resultante. Se adoptaron centrales de ciclonaje fijas, localizadas a conveniente altitud cerca de alguno de los estribos de la presa y en general se adoptaron controles de calidad de tipo industrial incluyendo en varios casos centrales de control instrumental.
La estrategia de desarrollo adoptada por la industria minera para enfrentar el desafío representado por presas de arena con alturas finales sin precedentes, fue ir avanzando en la construcción y operación de presas de arena de relaves con alturas finales limitadas, las cuales podrían ir aumentando en la medida que se fueran acumulando progresivamente antecedentes geotécnicos y de operación que sirvieran de base para sustentar dicho aumento progresivo. Esta estrategia requirió de un importante esfuerzo de investigación y monitoreo.
La figura siguiente muestra el desarrollo alcanzado como resultado de la citada estrategia y de los programas de investigación y monitoreo establecidos, los que han permitido dar una respuesta debidamente sustentada al desafío representado por la necesidad de operaciones mineras con niveles de producción cada vez mayores, en parte para compensar la caída de las leyes de mineral (Ver Figura N° 1).

Figura 4.

El programa de estudio e investigación del comportamiento de estas arenas en términos de resistencia y deformaciones se realizó para diferentes presiones de confinamiento, distintas densidades y un rango amplio del porcentaje de finos en las arenas (porcentaje que pasa bajo la malla #200 ASTM).
La necesidad de compactación de las arenas había ya quedado demostrada con la experiencia en las presas de relleno hidráulico y lo mismo quedó confirmado con la serie de ensayos de corte triaxiales realizados con muestras de arena con diferentes contenidos de finos [22]. Otro elemento fundamental fue la comprobación de la importancia de garantizar un adecuado contraste de permeabilidades entre el cuerpo de arena y los relaves o lamas depositadas, especialmente para grandes alturas donde pudiera ocurrir una disminución de la permeabilidad de las arenas para altas presiones. Un adecuado contraste garantiza una línea freática muy baja y casi inexistente con la ayuda de potentes drenes basales, según se muestra en la Figura N° 2.
En relación al comportamiento no drenado de las arenas de relaves, para algunas de las principales presas de relaves construidas, como Tórtolas, Quillayes y Mauro fueron efectuados ensayos triaxiales no drenados en muestras tomadas de las presas en construcción para presiones relativamente altas de confinamiento. Como se ve en la Figura 3, una determinada arena de relaves con porcentaje de finos menor a 20% y compactada (densidad relativa del orden del 60%) puede presentar comportamiento dilatante para presiones de confinamiento relativamente bajas, pero mostrar comportamiento contractivo para presiones de confinamiento mayores. Esto determina la necesidad de mantener la línea freática lo más baja posible garantizando una adecuada permeabilidad de las arenas y adoptando eficientes drenes basales y laterales.

Figura 5.

En las Figuras 4 y 5 se indican los principales resultados de los ensayos efectuados sobre arenas de relaves de cobre ([22][28][29][30][31]) en donde se muestra la importancia de mantener el porcentaje de finos en lo posible bajo, el 15 % o 20 % dependiendo de la altura de la presa, considerando que un incremento de 1 MPa a 2 MPa en la presión de confinamiento puede reducir en un orden de magnitud la permeabilidad de la arena.
En la Figura N° 5 se puede observar que, dependiendo del porcentaje de finos en la arena, se puede tener una arena cuya permeabilidad la controlan sus granos gruesos (15 % a 30 % de finos) o una arena en que la permeabilidad es controlada por los finos (porcentaje de finos mayor a 40 %).
Las principales conclusiones obtenidas en estos ensayos con arenas de relaves de cobre porfídico son las siguientes:
 El porcentaje de finos es una variable fundamental y debe mantenerse en términos prácticos bajo 15 % a 17 % en peso, dependiendo de la altura de la presa, para que la permeabilidad sea controlada por los gruesos y no por los finos. En presas de gran altura, la segregación a lo largo del talud puede aumentar localmente el porcentaje de finos en un 2 %.
 Aún con bajos porcentajes de finos, la permeabilidad puede reducirse hasta en un orden de magnitud para altas presiones de confinamiento (por ejemplo para alturas de 200 m).
 La resistencia drenada no cambia muy significativamente aún para altas presiones de confinamiento. En condiciones no drenadas puede haber comportamiento dilatante o contractivo dependiendo de la densidad de la arena y de la presión de confinamiento. La resistencia no drenada aumenta al subir la densidad relativa.
 La compresibilidad de las arenas puede aumentar significativamente a partir de presiones de confinamiento típicamente superiores a 1,5 a 2 MPa, en parte por rotura de partículas.
Además de estos ensayos realizados para entender y caracterizar el comportamiento de arenas de relaves, fueron efectuados otros sobre materiales gruesos, tipo enrocado, provenientes de depósitos de roca estéril; los que demostraron que cuando sometidos a altas presiones de confinamiento mostraban una destrucción importante de los granos, por lo tanto su utilización en la construcción de drenes no parece aconsejable para presas de gran altura. En cambio, el efecto de las altas presiones de confinamiento (1,5 MPa) en muestras de grava de depósitos fluviales o coluviales es mucho más reducido y por lo tanto, la producción de finos por quiebre de partículas es menor, garantizando de mejor manera la permeabilidad requerida. Debe tenerse en cuenta que la permeabilidad de drenes también se puede ver afectada por la compresibilidad de enrocados y gravas cuando se someten a presiones de confinamiento superiores a 1 Mpa.

 

Ejemplo de presa de arena de relaves de gran altura

La aplicación de los resultados de los análisis del comportamiento de las presas de arenas de relaves en construcción y de los diversos estudios e investigaciones realizadas, ha permitido diseñar, construir y operar satisfactoriamente presas de gran altura, como la de Quillayes en la zona central, a unos 300 km al Norte de Santiago, Chile. Esta presa se construyó y operó entre los años 1998 y 2008 y alcanzó una altura máxima de 200 m, medidos en vertical bajo la cresta del muro, y una altura de cerca de 240 m según la definición de ICOLD.
El caso de la presa de arenas de relaves de Quillayes es de especial interés, debido a una serie de condicionantes que significaron importantes exigencias en su diseño, construcción y operación. El sitio es topográficamente desafiante, constituido por un angosto valle que solamente permitía una muy baja relación de volumen embalse/presa (3:1), además de estar situado en una cuenca hidrográfica relativamente importante (250 km2), lo que hizo necesario contar con obras de desvío de aguas que incluyen un muro de empréstitos de 40 m de alto y un túnel de desvío de 5 km de longitud y 30 m² de sección.
La baja relación embalse/presa y la elevada producción diaria de relaves a ser depositados, del orden de 100.000 TMPD1, determinó la necesidad de una presa o muro de partida de 70 m de alto construida con suelos gravo arcillosos compactados. Fue necesario ciclonear el 100% de los relaves para poder producir las arenas requeridas para que la presa de arenas pudiera crecer los primeros años a las altas tasas requeridas.
La fundación de la presa está formada por depósitos fluviales de 8 m de espesor, depósitos coluviales en el estribo derecho (3 m) y roca intrusiva tipo granodiorita en el estribo izquierdo. Los depósitos de suelo son de compacidad media a alta, consideradas no susceptibles de licuefacción como resultado de esfuerzos estáticos y/o sísmicos.
La construcción de esta presa requirió la colocación de cerca de 78 Mm³ de arenas compactadas. Durante la operación del depósito, se llegó a colocar y compactar hasta 1 millón de m³ de arenas por mes. El relave producido en la planta concentradora corresponde a un limo arenoso con un P802 de aproximadamente 212 micrones (equivalente 0,21 mm) y con un 50 % de finos bajo malla 200. Las arenas fueron especificadas para un porcentaje de finos entre 18 y 20 %. Las arenas eran obtenidas de una estación de ciclones automatizada fija, instalada a conveniente altura en el estribo derecho de la presa y estaba constituida por dos conjuntos o “clusters” de 20 ciclones cada uno.
En 2002, la empresa minera encargó una auditoría técnica de la construcción de la presa a una firma internacional de ingeniería, la que incluyó la ejecución de sondajes SPT y SCPT3, perfiles de refracción sísmica y calicatas para determinaciones de densidad, permeabilidad y resistencia de la arena de la presa [34], obteniéndose una confirmación de las características geotécnicas de las arenas depositadas y de los criterios de diseño considerados, tal como se presenta en la Tabla 1.
En la presa Quillayes, se aplicó FLAC 3D por primera vez en el análisis dinámico de una presa de relaves [35]. Su excelente comportamiento y calidad comprobada de su construcción permitió posteriormente adoptar una altura máxima mayor de cerca de 200 m.
La experiencia de la presa Las Tórtolas y de la presa aguas abajo El Chinche de 100 m de altura que ya operaba en la mina, fue la base para definir la factibilidad de la presa Quillayes. A su vez, debe destacarse que el satisfactorio comportamiento de la presa Quillayes fue la base para el diseño de la nueva presa El Mauro, que deberá almacenar relaves de la misma mina, para la cual se consideró una altura final 237 m.
Todas las presas de arena de relaves construidas después de 1970, la mayor parte de las cuales operan hasta hoy, fueron diseñadas de acuerdo a los parámetros, criterios y conceptos verificados y confirmados por los ensayos efectuados sobre muestras de las propias presas en operación y el monitoreo de las mismas a medida que avanzaban en su operación y alcanzaban nuevas alturas. En base a la estrategia seguida, y al cuidadoso control de la operación, se ha confirmado la factibilidad de la construcción, con la debida seguridad, de presas de arenas de gran altura, las que en el futuro cercano podrían superar los 300 m de altura.
En Chile, estas presas de arena de relaves de gran altura, en general ubicadas en la zona central del país, se han comportado satisfactoriamente ante varios sismos y en particular ante los sismos de 1985 (M 7,8), de 2010 (M 8,8) y de 2015 (M 8,4), registrando deformaciones mucho menores a las estimadas a partir de análisis numéricos dinámicos, tanto 2D como 3D [36].
Es importante señalar que, independientemente del buen comportamiento de este tipo de presas, que además en muchos casos corresponden a la solución más económica para el depósito de relaves, en varios proyectos en que se ha podido contar con otros materiales de construcción de forma económica y con condiciones topográficas favorables, se han adoptado soluciones más convencionales, utilizando presas de tierra o de enrocados [22].
En la Tabla 2 se muestran las presas de relaves construidas desde aproximadamente 1970, después de la catastrófica falla de la presa de relaves El Cobre en 1965. Todas ellas son de crecimiento aguas abajo, excepto la segunda etapa de El Torito en que se adoptó crecimiento según línea central.
La industria minera ha estado impulsando además el desarrollo de otras tecnologías que permitan recuperar el máximo de agua a la salida de los estanques de flotación, entregando un relave con una concentración mucho mayor a la de los relaves convencionales que se han descrito en este artículo (que en general es del orden del 50 % al 55 % en peso de sólidos). Estas tecnologías se han denominado de “relaves espesados” y de “pastas”, las que eventualmente no requerirían de muros de contención o por lo menos requerirían presas de contención mucho menores. Las complejidades de estos nuevos sistemas, que ya están siendo utilizados en algunas operaciones, están relacionadas principalmente con el transporte de los relaves al lugar del depósito y la disposición de los mismos. La reología de estos relaves con alta concentración de sólidos aún no es totalmente comprendida a pesar de las numerosas investigaciones en laboratorio y plantas piloto en varios países mineros, pero es probable que la experiencia en dos proyectos de gran envergadura en Chile provea antecedentes que ayuden al mayor desarrollo de estas soluciones. La otra tecnología más extrema en términos de reducción del contenido de agua de los relaves, es la del filtrado, tecnología usada en muchas operaciones de niveles de producción bajos o medios, pero que en el caso de operaciones de niveles de producción mayores presenta muy altos costos, así como complejidades en el transporte (por correa o camiones) y depósito del relave filtrado.

Reconocimientos
La discusión de los dos casos (depósitos de roca estéril y depósitos de relaves mineros) se basa en estudios hechos al interior de ARCADIS Chile, en los que el Ing. Valenzuela participó en su calidad de consultor, y en ellos participaron varios ingenieros. En especial, se reconoce la participación y contribución de los ingenieros Edgar Bard, José Campaña y Abraham Figueroa a quienes se agradece además su apoyo en la preparación del presente artículo.
Incorporación a la Academia Nacional de Ingeniería
El pasado viernes 2 de junio, la Academia Nacional de Ingeniería de la República de Argentina realizó una ceremonia, presidida por su presidente, Ing. Oscar Vardé, donde reconoció al Consultor Ingeniero Luis Valenzuela. La distinción, reflejada en un diploma y medalla, significó su incorporación como Académico Correspondiente en Chile.
En septiembre de 2016, el Ingeniero ya había sido reconocido por la distinguida Academia con el mismo honor, oportunidad en que fue destacada su trayectoria profesional en el campo de la ingeniería civil y la geotecnia. Asimismo, cabe destacar que en noviembre de 2015, fue galardonado con el Premio “Medalla de Oro” por el Instituto de Ingenieros de Chile, en reconocimiento por su aporte al desarrollo del país a través de sus 42 años de carrera dedicados a este rubro.