Desafíos a la ingeniería geotécnica en la gran minería

PRIMERA PARTE: Por el Ing. Luis Valenzuela.

Introducción

La Ingeniería Civil, a través de varias de sus ramas o especialidades, está relacionada directamente con la concepción, el diseño y la construcción de diversas obras que necesariamente deben implantarse sobre la superficie de la tierra, como es el caso de edificios, carreteras o presas, o también al interior de la misma como es el caso de cavernas, túneles y minas subterráneas. La Ingeniería Geotécnica, que se considera una especialidad de la Ingeniería Civil, complementa el desarrollo de estos proyectos aportando la caracterización y el comportamiento de los suelos y rocas donde se implantan los mismos, pero además trata del análisis de fenómenos naturales en los que suelos y rocas tienen un papel fundamental, como es el caso, por ejemplo, de la estabilidad de taludes en pendientes naturales.
La Ingeniería Geotécnica es una disciplina relativamente “joven” de la Ingeniería Civil y se suele asociar su origen al reconocimiento de la Mecánica de Suelos como disciplina de la ingeniería con la publicación, en 1925, del libro “Erdbaumechanik auf Bodenphysikalisher Grundlage” por el ingeniero austríaco Karl Terzaghi [1]. El reconocimiento “oficial” se daría en 1936 con la realización del primer congreso de esa especialidad en Boston, organizado precisamente por Karl Terzaghi y el profesor Arthur Casagrande y con la formación ese mismo año de la Internation

al Society of Soil Mechanics and Foundation Engineering (ISSMFE), hoy International Society of soil Mechanics and Geotechnical Engineering (ISSMGE). Sin embargo, se debe destacar que estudios relacionados con el tema existían desde varios años antes, principalmente en Europa, además de aproximaciones al tema por parte de la geología y la ingeniería estructural. Lo anterior sin desconocer aportes muy anteriores respecto de algunos conceptos básicos (Darcy, Coulomb, Rankine y otros) y algunas prácticas constructivas en suelos y rocas aún mucho más antiguas.
Durante mediados del siglo XX, además de la Mecánica de Suelos, se desarrollan como especialidades estructuradas la Mecánica de Rocas, la Geología Aplicada a la Ingeniería, la Geofísica Aplicada, la Sismología Aplicada a la Ingeniería, la Ingeniería Geotécnica Sísmica, la Ingeniería Geotécnica Ambiental, la Ingeniería de Geosintéticos y otras disciplinas que han llevado a que el campo de la Ingeniería Geotécnica sea hoy extraordinariamente amplio. Lo anterior, sin olvidar el importante desarrollo que han tenido los estudios de la Interacción Suelo – Estructura y los métodos de análisis numéricos que se incorporaron a los estudios geotécnicos, como ser los métodos de elementos finitos, diferencias finitas, elementos de borde y elementos discretos. A seguir, se incluye una figura que intenta mostrar el rol fundamental que cumple la Ingeniería Geotécnica relacionando las Geociencias con la Ingeniería Civil.
La Ingeniería Civil, así como otras profesiones, ha ido desarrollando nuevos conocimientos y métodos de análisis a medida que ella ha sido enfrentada a nuevos desafíos. Este proceso es aún más evidente en una especialidad “joven” como es la Ingeniería Geotécnica. Como ejemplo se puede mencionar el desafío a la geotecnia por parte de la ingeniería de presas con el desarrollo de las presas de tierra y enrocado, principalmente entre 1930 y 1940, a partir del inicio de la producción masiva de equipos de construcción de gran poder y eficiencia (camiones, tractores y rodillos compactadores), lo que permitió ir abandonando la práctica de la construcción de presas de relleno hidráulico, muchas de las cuales habían fallas por licuación estática y sísmica, principalmente en Estados Unidos de América. En el desarrollo de este tipo de presas hubo una importante participación de algunos países de Latino América como Argentina, Brasil, Colombia y México.
Otros desafíos que incentivaron el desarrollo de la Ingeniería Geotécnica y que tuvieron participación destacada de países latino americanos fueron: análisis de fundaciones de edificios en suelos muy blandos, como en el caso de las ciudades de Santos en Brasil (Vargas, [2]) y de Nuevo México (Zeavert [3]); y el estudio del comportamiento de suelos cuando sometidos a sismos de gran magnitud, iniciado en la década de 1960 y con una destacada participación de Chile y México.
Fuera de los casos mencionados y algunos otros, el aporte de los países de la región ha sido muy menor, algo que también se registra en la Ingeniería Civil en general.
El presente trabajo pretende destacar, a través de dos ejemplos de la Ingeniería Geotécnica, cómo algunos desafíos propios de la región pueden originar desarrollos de importancia dando soluciones de interés local o regional, al mismo tiempo que hacer una contribución significativa a nivel global. Estos ejemplos están relacionados con algunos importantes desafíos presentados a la Ingeniería Geotécnica por parte de la industria minera de gran porte.

 

La Gran Minería y los desafíos a la Ingeniería Geotécnica
Por gran minería se entiende, en el contexto del presente trabajo, aquella minería que debe excavar y tratar diariamente grandes volúmenes de mineral, requiriendo por lo tanto de excavaciones de grandes dimensiones, eventualmente a grandes profundidades, así como de depósitos de grandes dimensiones, tanto de mineral de baja ley como de residuos del proceso de tratamiento de los mismos. Los casos que se analizan en este trabajo corresponden a minería metálica, en la que se considera como gran minería aquella asociada a producciones en general mayores a 50

Situación típica de inestabilidad del talud de un depósito de estéril grueso [4].
.000 toneladas de mineral extraído y tratado diariamente, pero que en algunos casos pueden llegar a niveles del orden de 400.000 toneladas de mineral tratado por día. La importancia del desafío es más evidente cuando esos altos niveles de producción están asociados a condiciones topográficas o geomorfológicas adversas, por ejemplo cuando las operaciones están ubicadas en valles estrechos, o con yacimientos a gran profundidad o en zonas de alta sismicidad. Otro desafío no menor, presentado por todos los proyectos mineros, independientemente de su nivel de producción, es que las principales obras relacionadas con la extracción de mineral y el depósito de residuos son construidas a lo largo del tiempo, pudiendo llegar a extenderse por varias décadas.
En el presente trabajo se analizan dos casos de importantes desafíos a la geotecnia asociados a la minería de superficie en zonas de montaña, donde la falta de espacio para el depósito de rocas estériles y residuos lleva a la necesidad de estructuras de gran tamaño, tanto en volumen como en altura.

Caso 1: Depósitos de Gran Altura de Roca Estéril en la Minería de Superficie.

Producción y depósito de la roca estéril
En la minería metálica de superficie el mineral es extraído a partir de excavaciones a tajo abierto (“open pit”). En estas excavaciones, para poder progresar en profundidad se debe excavar no solamente el mineral económicamente explotable sino que además roca estéril (“waste rock”) del entorno, que corresponde a roca sin mineral o con una muy baja ley de mineral y a veces denominada como lastre. La relación de volumen de estéril y mineral tratable es comúnmente del orden de 1,5 a 2. Es decir, en una mina con producción de 100.000 toneladas de mineral por día, se depositarían diariamente 150.000 a 200.000 toneladas de estéril, las cuales son transportadas en camiones, siendo la distancia de transporte un elemento crítico del costo de explotación. En minas situadas en valles estrechos y con niveles de producción mayores a 100.000 toneladas de mineral tratado por día, las alturas de estos depósitos pueden ser muy superiores a 300 m, por lo tanto se trata en estos casos de volúmenes y alturas extraordinarios.
En la minería metálica estos depósitos de estéril son diseñados de acuerdo a las prácticas convencionales de la mecánica de suelos, asumiendo un comportamiento drenado de los materiales, considerando que en general se trata de materiales granulares gruesos relativamente permeables. Las referencias de fallas o deslizamientos de este tipo de depósitos son escasas y en general están asociadas a condiciones de fundación inadecuadas. Típicamente en estos casos, como se muestra en la Figura 1, la inestabilidad se manifiesta con material que se “desliza” hasta una cierta distancia muy limitada, sin que haya un flujo a gran distancia de ese material. No existen evidencias de deslizamientos en depósitos de estéril de la minería metálica que hayan implicado desplazamientos importantes del material deslizado hacia aguas abajo, como ha ocurrido en algunos casos de la minería del carbón que se comentan más adelante.
El primer caso bien documentado de deslizamiento de un depósito de estéril corresponde al que afectó al depósito de Aberfan, en una mina de carbón en Gales del Sur en 1966 [5], que causó la muerte de 144 personas, entre las cuales 116 niños entre 7 a 10 años de una escuela situada aguas abajo del depósito.
En el caso de Aberfan, el mecanismo desencadenante del deslizamiento está relacionado con la hidrogeología del sitio que, después de una fuerte lluvia llevó al aumento de la presión de poros en el material del depósito bajo la cubierta relativamente impermeable de arcilla y por lo tanto, a una reducción de la resistencia del material (resistencia no drenada). La altura del depósito era de aproximadamente 67 m cuando ocurrió el deslizamiento mayor en 1966. Aunque muy destructivo en términos de vidas y propiedades, el material que deslizó en forma de flujo involucró sólo alrededor de 140.000 m³ de material, de los cuales sólo unos 50.000 m³ cruzaron el antiguo terraplén ferroviario que bordea el pueblo, recorriendo una distancia aproximada de 800 m con una velocidad que se estimó entre 16 y 32 km/h.
Ensayos en aparato triaxial [6] mostraron que la degradación que sufrieron muestras del material, aún ante una limitada deformación por corte, pudieron reducir la permeabilidad en un orden de magnitud o más. Según Bishop, esto podría explicar por qué el exceso de presión de poros inducido por la solicitación se mantiene durante el deslizamiento. Una permeabilidad reducida es también consistente con el contenido de finos más alto observado en el material del deslizamiento cuando comparado con el contenido de finos del material en el depósito. El deslizamiento de Aberfan fue el primero en ser identificado y caracterizado como una falla de flujo, con una “fluidización” del estéril en la minería. Por esas características, se ha considerado como un caso de licuefacción estática, asimilándolo al caso de licuefacción de arenas como en el deslizamiento de la presa de relleno hidráulico de Fort Peck en USA en 1938.
El material en el depósito incluye el material (esquisto chancado) proveniente de los piques y caminos de la mina así como todo esquisto que se hubiera mezclado y luego separado del carbón. La granulometría del material es variable pero la mayor parte es menor a 3 pulgadas y contiene un pequeño porcentaje de arcillas (kaolinita e illita principalmente).
En un trabajo relativamente reciente, desarrollado por Dawson et al [7], se describe un número significativo de fallas de depósitos de estéril. En efecto, hasta 1998 había más de 50 casos documentados de deslizamientos en la minería del carbón en British Columbia, Canadá. Los deslizamientos en general se producían en depósitos con alturas mayores a 100 m y hasta 400 m, coincidiendo en la mayoría de los casos con terrenos de fundación con pendientes superiores a 15°. Los materiales estudiados en estos depósitos (principalmente esquistos de carbón) corresponden a gravas arenosas, con tamaño medio, D50, entre 4 mm a 10 mm, y arenas bajo 2 mm entre 20% a 35%.
El trabajo de Dawson et al indica que gravas arenosas más finas forman capas paralelas a la superficie de los depósitos, las que pueden presentar un comportamiento de colapso para índices de vacíos mayores a 0,3, aproximadamente. La evaluación del potencial de colapso se llevó a cabo con métodos de equilibrio límite, asignando parámetros derivados de ensayos triaxiales no drenados. Este enfoque, se aplicó a tres casos, mostrando factores de seguridad cercanos a uno para un comportamiento drenado (= 28°; c=0), pero menos a uno con parámetros no drenados (Su/’v= 0,15 – 0,2).
Hungr et al [8] profundizó en los análisis, describiendo cómo el mecanismo más probable responsable de la alta movilidad observada de los flujos de deslizamientos de estéril de carbón, sería la licuefacción total o parcial de la superficie o zona de deslizamiento por un exceso de presión de poros.
En los casos comentados, uno de los factores más preocupantes es el hecho de que las fallas por deslizamiento de estos depósitos de estériles ocurridos en la minería del carbón han estado asociadas a un fenómeno de “fluidización” de los materiales del depósito los que al deslizar pueden alcanzar distancias importantes, dependiendo de las características del depósito.

Depósitos de roca estéril de gran altura en la minería metálica

El desarrollo de proyectos de expansión en dos minas de cobre en la zona central de Chile, considera depósitos de estéril ubicados en valles muy estrechos, con pendientes de fondo en general superiores a 5% y con alturas finales entre 700 m a 900 m y espesores de hasta 600 m, alturas sin precedente en “estructuras” de suelo y roca. A lo anterior, se une el interés de producir la lixiviación forzada de los depósitos de estéril con baja ley de mineral (en general minerales de sulfuros de cobre) mediante la inyección de agua y ácido sulfúrico, práctica usual en depósitos de este tipo, pero en general de alturas menores.
Estas condiciones representaron un gran desafío geotécnico: determinar si en estas especiales condiciones existía la

Ensayos triaxial CID y CIU. Lastre lixiviado (granulometría cortada).

posibilidad de un comportamiento no drenado de los materiales de estos depósitos y eventualmente la ocurrencia de deslizamientos asociados a un fenómeno de “fluidización” con el consecuente desplazamiento, a distancias significativas, de un volumen de roca importante.
Estos interrogantes, llevaron a realizar un trabajo de ingeniería y de investigación inédito en la minería metálica, con especial interés en el comportamiento mecánico del estéril bajo altas presiones de confinamiento inducidas por el peso propio del material acopiado, y además eventualmente sometida a lixiviación forzada. La alta sismicidad de la zona podría representar un factor gatillante de una falla bajo condiciones no drenadas.

Programa de ensayos geotécnicos con roca estéril o lastre

Resultados ensayos eodométricos y triaxiales (plano e-p’).

Como parte de los estudios para determinar si existía la posibilidad de un comportamiento no drenado en zonas de los depósitos con material más fino, se efectuaron ensayos de corte triaxiales CIU sobre muestras de la matriz fina [9] [10], de los depósitos de estéril (contenidos de finos en peso de 15,7 % y 18,5 %) y en condiciones no drenadas, para presiones de confinamiento de 2,5 y 7 kg/cm2 y densidad inicial de 1,75 t/m³. Los valores de resistencia no drenada, asumiendo  = 37º, fueron los siguientes: Su/v’ = 0,23 y 0,30 o Su/v’= 0,29-0,33.
Con el fin de verificar el impacto de altas presiones de confinamiento y de la lixiviación en términos de la producción de finos en los materiales gruesos de los depósitos, se realizaron ensayos triaxiales de grandes dimensiones en el que se aplicaron altas presiones de confinamiento. Estos ensayos se realizaron en el Laboratorio de Geotecnia del IDIEM, de la Universidad de Chile. Para ello, se implementó un equipo triaxial a carga controlada, capaz de alcanzar presiones de confinamiento de hasta 2,5 MPa, con probetas de grandes dimensiones, de hasta 1,0 m de diámetro y 1,8 m de altura. De acuerdo a estas dimensiones, los materiales ensayados pueden presentar un tamaño máximo de hasta 8” [10].
En relación a la resistencia al corte, los resultados de ensayos triaxiales – drenados CID o no drenados CIU – sobre muestras de estéril no lixiviado y lixiviado [9][10][11] [12] [13] [14] indicaron que esa resistencia es reducida progresivamente a medida que se aumenta la presión aplicada, lo que está en acuerdo a lo indicado por otros investigadores como Marsal y Resendiz [15] [16], especialmente para presiones bajo ’n de 2 MPa.
En la Figura 2 se presentan los resultados de los ensayos no drenados CIU en material estéril lixiviado que indican la baja resistencia no drenada de estos materiales, resistencia muy similar a la obtenida en el ensayo de corte sobre la matriz fina del estéril antes mencionada.
Para el lastre lixiviado (granulometría cortada bajo 8”), se puede observar que la tendencia contractiva del esqueleto granular al ser sometido a corte se traduce en un fuerte incremento de las presiones de poros (ΔU) y consecuentemente una fuerte reducción de la resistencia del material bajo esta condición de carga.
Las presiones medias efectivas alcanzadas al final de los ensayos equivalen a las generadas por alturas de sobrecarga del orden de 300 m a 420 m.
En la Figura 3 se indica la evolución de las densidades de los depósitos de estéril inicialmente depositados a baja densidad, en términos de la densidad al final del ensayo o de la fase de carga. Los resultados de ensayos oedométricos de gran porte han sido complementados con los resultados de los ensayos triaxiales (presión máxima aplicada p’=5 MPa equivalente a ’v de 8,5 MPa). A partir de aproximadamente 1 MPa la compresibilidad aumenta marcadamente, debido al efecto de la rotura de granos.
Entre los principales efectos de la rotura progresiva de partículas en el tiempo, en particular a los medios granulares, cabe destacar:
a) Modificación de la granulometría con aumento del contenido de finos y disminución gradual de la conductividad hidráulica en estratos menos superficiales.
b) Aumento de la compresibilidad del material eventualmente modificando los parámetros de resistencia al corte.
c) Reducciones en la resistencia al corte por saturación del estéril, pudiéndose gatillar incrementos de la presión de poros. Este fenómeno, asociado a la gran compresibilidad de los enrocados a altas presiones de confinamiento tiene especial importancia en el diseño de drenes y filtros que en general se colocan en la base de los depósitos y tiene importancia también en drenes y filtros de presas, aunque en este último caso la utilización de materiales gruesos constituidos por gravas de lecho de ríos o depósitos fluviales – coluviales, presentan mucho menor quiebre de partículas [17].

Aplicación de estas investigaciones al diseño de depósitos de lastre

Ejemplo de depósito de estéril de gran altura y sometido a lixiviación [10].

Los resultados de esta investigación han sido presentados en varios trabajos ([10] [11] [12] [13] [14][17]) y los mismos han sido aplicados al diseño de los dos depósitos de gran altura ya mencionados, en los cuales se demostró que debido a las altas presiones inducidas por las grandes alturas de los depósitos y por el proceso de lixiviación, era posible que bajo ciertas condiciones y factores gatillantes, como por ejemplo sismos de gran magnitud o aumento repentino del nivel freático en alguna altura intermedia, podría haber un comportamiento no drenado con reducción importante de la resistencia y eventualmente se podría producir deslizamiento con flujo de material debido a un fenómeno similar al de la licuefacción estática en arenas, como en los casos en la minería del carbón comentados.
Lo anterior llevó a analizar la estabilidad de esos depósitos considerando esa posibilidad y adoptando los valores de resistencia no drenada obtenida en esos ensayos. Finalmente, como se observa en el esquema de solución adoptado para uno de los casos (Figura 4) se debió considerar zonas con cuidados especiales de construcción (tipo de material, espesor de capas, prohibición de lixiviación) en los extremos del depósito, además de otras zonas intermedias sin lixiviación.
Es interesante destacar que especialmente cuando hay procesos de lixiviación in situ, se hace necesario un sistema de colección del líquido rico en metales que ha producido la lixiviación, de la manera más eficiente posible tanto desde el punto de vista ambiental como económico. Esto en general lleva a la necesidad de escoger los puntos de colecta de los líquidos en lugares donde se pueda garantizar la estanqueidad ya sea a través de una cortina de inyecciones o de una pared
moldeada o similar. Es necesario además reforzar el sistema de drenaje basal y a veces también el lateral.
Los resultados de la investigación descrita, desarrollada para responder a un desafío local que presentaba la gran minería, están siendo aplicados en otros proyectos en Norte América y algunas de sus conclusiones han sido incluidas en la nueva guía de diseño de depósitos recientemente editada en Canadá [18].

Referencias

[1] K. Terzaghi, (1925). Erdbaumechanik auf bodemphysikalischer Grundlage.
[2] M. Vargas (1970). Mecânica dos solos. McGraw-Hill do Brasil.
[3] L. Zeavert. Foundation Design and Behavior of Tower Latino Americana in Mexico City. In Géot., 7, No. 3, pp. 115 -133
[4] G. Blight, (2010). Geotechnical engineering for mine waste storage facilities. Leiden, the Netherlands: CRC Press
[5] Bishop, A. W. (1973). The stability of tips and spoil heaps. Quarterly Journal of Engineering Geology and Hydrogeology, 6(3-4), 335-376.
[6] S. G. Tombs, Strength and deformation characteristics of rockfill. Ph.D. Thesis: University of London. 1969.
[7] R. F. Dawson, N. R. Morgenstern, A. W. & Stokes (1998). Liquefaction flowslides in Rocky Mountain coal mine waste dumps. Canadian Geotechnical Journal, 35(2), 328-343.
[8] O. Hungr., R. F. Dawson, A. Kent., D. Campbell, N. R. Morgenstern, (2002). Rapid flow slides of coal-mine waste in British Columbia, Canada. Reviews in Engineering Geology, 15, 191-208.
[9] L. Valenzuela, Stability issues in natural and man-made slopes in mining, In Int. Conf. on Landslides, Brasil, 2004.
[10] L. Valenzuela, seismic considerations in the design of high waste rock dumps, 5th International Conference on Earthquake Geothechnical Engineering. 2011.
[11] E. Bard, J. Campaña, M. Anabalón, and R. Apablaza, Waste Rock Behavior under High Pressures, XIII Pan-American Conf. on Soil Mechanics and Geotechnical Engineering, Venezuela, 2007.
[12] E. Bard, M. Anabalón, and J. Campaña, Waste rock behavior at high pressures: dimensioning high waste rock dumps. In Multiscale Geomechanics, Ed. by P.-Y. Hicher, ISTE/Wiley, 2012, 86-112.
[13] L. Valenzuela, Stability issues in natural and man-made slopes in mining, In Int. Conf. on Landslides, Brasil, 2004.
[14] L. Valenzuela, E. Bard, J. Campaña, M. Anabalón, High Waste Rock Dumps – Challenges and Developments, 1st Int. Seminar on the Management of Rock Dumps, Stockpiles and Heap Leach Pads, Australia, 2008.
[15] R. Marsal and D. Resendiz, Presas de Tierra y Enrocamiento, Editorial Limusa, 1975, 221-267.
[16] R. Marsal, Research on Granular Materials (Rockfill and Soil-gravel mixtures). Experimental work compiled from the IX Int. Conf. of Soil Mech. and Found. Eng., E-25, Universidad Nacional Autónoma de México, 1977.
[17] E. Bard, J. Campaña, L. Valenzuela, A. Figueroa, and P. Marilao, Mine Waste Rock and Riverbed Materials at High Pressures; Applications for High Waste Rock Dumps and High Tailings Dams Design, XV Pan-American Conf. on Soil Mechanics and Geotechnical Engineering, 2015   .
[18] M. Hawley, J. Cunning, (2017). Guidelines for Mine Waste Dump and Stockpile Design.