abandono de labores en mina subterranea

ESTRUCTURAS DE CERRAMIENTOS PARA EL ABANDONO DE LABORES SUBTERRÁNEAS Carlos Rivera – David Tapia NURIV S.A.

1. INTRODUCCIÓN Las estructuras de cerramiento en el interior de la mina subterránea son elementos utilizados durante todo el período operativo de ésta, especialmente en la clausura de labores explotadas, a fin de que estos sectores alcancen la seguridad física, química y protección ambiental en el interior de la unidad de producción y sus alrededores. Para efectos del cierre, estas estructuras que se proyecten deben estar en capacidad de mantener la estabilidad física y química a largo plazo, a fin de proteger la salud humana y el medio ambiente. En la mayoría de las minas del Perú, uno de los problemas que se presentan para la explotación es el abatimiento de la napa freática. Los sistemas de drenaje normalmente son por gravedad, captan y conducen el agua generalmente por las galerías ubicadas en los niveles inferiores de las minas, con lo cual se genera el Drenaje Ácido de Roca (DAR) cuando la explotación se produce en yacimientos con presencia de rocas sulfurosas. Existen diversos tipos de estructuras de cerramiento sobre o bajo nivel freático en el interior de la mina, con lo cual se trata de reducir el oxígeno requerido para la formación del DAR. El presente trabajo desarrolla las estructuras de cerramiento proyectadas y construidas para que trabajen bajo nivel freático. Para tal fin se presenta la estructura proyectada y construida en el Nivel 490 de la unidad de producción

1

Julcani, de la Compañía de Minas Buenaventura S.A.A. Este caso muestra la aplicación práctica de los métodos usados para su diseño y culmina con el estudio geológico-geomecánico de los sectores comprometidos.

2. ESTRUCTURAS DE CERRAMIENTO DE MINAS A continuación presentamos un cuadro resumen de las diversas estructuras de cerramiento que se proyectan bajo nivel freático en el interior de las galerías con el fin de clausurar zonas explotadas y/o en operación, para fines de cierre ambiental y por medidas de seguridad. Ver Cuadro 1 al final del documento.

3. TAPONES DE CONCRETO MONOLÍTICO Dentro de la clasificación presentada se encuentran los tapones de concreto monolítico, que son estructuras de cerramiento que estarán sometidas a presiones de 100 Kpa o más. A diferencia de las otras estructuras mencionadas, estos tapones son diseñados como sellos permanentes y no requieren

mantenimiento

durante

el

desarrollo

de

su

vida

útil.

Consecuentemente, estas estructuras, en el proceso de diseño, incorporan factores de seguridad, teniendo en consideración un adecuado control de calidad durante el proceso constructivo que se garantice a través de las especificaciones técnicas propuestas por el diseñador y donde la supervisión tendrá la responsabilidad de cumplir con dichas especificaciones. En el Cuadro 1 se presenta una serie de tipos de tapones de concreto monolítico, los mismos que deben proyectarse de acuerdo con el uso que se les quiera dar. A continuación se hace una breve descripción de los tipos de clausura comúnmente utilizados: Descarga Nula Este tipo de clausura tiene como principio construir un tapón que se ubique al interior de la galería para confinar el agua con el fin de tratar de recuperar el

2

nivel freático e inundar las áreas sulfuradas evitando que se produzca el DAR. Este tipo de cerramiento se recomienda usar para labores mineras que no tengan galerías interconectadas. Ver Plano 1 al final del documento. Rebose Aplicable a sectores de labores mineras interconectadas, este tipo de clausura permite inundar las labores y drenar el agua hacia niveles superiores por medio de las galerías existentes. Ver Plano 1. Cierre de Ingreso de Aire Este tipo se adopta en el caso de que no sea posible la construcción de un tapón que evite la salida del efluente de mina. Estas estructuras de cierre se proyectan para disminuir el ingreso del aire hacia el interior de la galería, por lo cual se reduce el proceso de oxidación y la generación del DAR. Ver Plano 1. Método Mixto Este caso es una combinación de los métodos de rebose y cierre de ingreso de aire; es aplicable a galerías que presentan interconexión entre ellas y se aprecian bocaminas de bajo caudal en niveles superiores y/o intermedios y bocaminas de gran caudal en nivel y/o niveles inferiores. Es posible el monitoreo de este tipo de cierre tanto en los niveles superiores, colocando sistemas de drenaje en los sellos, como en las zonas intermedias y superiores, con lo cual se puede verificar el proceso de oxidación y la recuperación del nivel freático respectivamente. Este método de cierre es el que se desarrolla en la unidad de producción Julcani y es materia del presente trabajo. Ver Plano 1.

4. METODOLOGÍA DE DISEÑO PARA EL CÁLCULO DE LONGITUD DEL TAPÓN DE CONCRETO MONOLÍTICO Estos métodos propuestos se basan sobre las experiencias obtenidas en países como Japón, a través de la Organización Minera Metálica del Japón (OMMJ), ente de apoyo al gobierno de dicho país; en Canadá y en los Estados

3

Unidos, con las experiencias de Chekan (1985), quien inicia los estudios referentes a este campo, y por Abel J.F. (1998), Lang B. (1999), quienes continúan con el desarrollo de estas teorías. A continuación se detallan los dos métodos de diseño utilizados para la construcción de estas estructuras. Método Japonés Método que presenta dos alternativas para el cálculo de la longitud. Las fórmulas son aplicables para tapones del tipo paralelo y del tipo barril, según las características geométricas del sello por utilizar. Este método considera para el cálculo sólo condiciones estáticas de diseño. A continuación se detallan las fórmulas propuestas en la Normas Nacionales de Japón (OMMJ-1996).

Tapón tipo paralelo:

L =

P .A . Fs ta .l

Fórmula 1

Donde: L : Longitud del tapón de clausura (m). P : Presión hidráulica que recibe el tapón de clausura (T/m2). A : Superficie de corte frontal de tapón de clausura (m2).

ta: Resistencia de corte permisible del concreto, (55 T/m2) si la resistencia de la roca basal del lugar de clausura fuera mayor que la resistencia del concreto. l : Longitud media de la circunferencia del tapón de clausura (m). Fs:Factor de seguridad (normalmente fijado en 2 para condiciones estáticas).

4

Tapón tipo barril:

L =

baP 2t

a

. Fs

Fórmula 2

Donde: L: Longitud del tapón de clausura (m). P: Presión hidráulica que recibe el tapón de clausura (T/m2). a: Relación de dimensiones de la galería (Adimensional).

a

=

b b

o

4

o

4

+ b

4

bo: El mayor valor entre el ancho y altura de la galería en el lugar del tapón de clausura (m). b: El menor valor entre el ancho y altura de la galería en el lugar del tapón de clausura (m). f´c: Resistencia a la compresión permisible del concreto. ta: Resistencia de corte permisible del concreto, si la resistencia de la roca basal del lugar de clausura fuera mayor que la resistencia del concreto. Fs: Factor de seguridad (normalmente fijado en 2 condición estática). Método Canadiense Método que presenta dos alternativas para el cálculo de la longitud. Las fórmulas son aplicables para tapones del tipo paralelo y del tipo tronco cónico, según las características geométricas del sello por utilizar. Lo resaltante del método es que considera los aspectos estático y dinámico (sísmico) para el cálculo de la longitud del tapón. A continuación se detallan las fórmulas propuestas por Chekan G,J. (1985) y utilizadas por organismos de seguridad minera del Canadá.

5

Tapón tipo paralelo:

L =

r gHwh ( h + w )t

Fórmula 3 a

Propuesta por TRC para tapones del tipo paralelo basándose sobre la bibliografía Chekan (1984). Fs: Factor de seguridad (fijado en ³3 para condiciones estáticas). Donde: L: Longitud del tapón (m). r: Densidad del H20 (kg/m2). H: Altura de la carga de agua (m). w: Ancho del túnel (m). h: Altura del túnel (m). ta: Esfuerzo de corte de la roca o esfuerzo de corte del concreto si éste es menor (Pa). g: Aceleración de la gravedad (m/s2). Tapón tipo tronco–cónico

L =

r gHwh 2 ( h + w )t

Fórmula 4

a

Donde: L: Longitud del tapón. p: Densidad del H20 (kg/m3). H: Altura de la carga de agua (m). w: Ancho del túnel (m). h: Altura del túnel (m).

6

ta: Esfuerzo de corte de la roca o esfuerzo de corte del concreto. Tomar el menor de ambos. g: Aceleración de la gravedad (m/s2). Fs: Factor de seguridad (fijado en ³3) para condiciones estáticas. Cálculo de la Vmax de onda: Ésta se calcula en función del máximo sismo creíble (MSC) obtenido de los estudios de peligro sísmico. Fórmula propuesta para roca por Seed, Idriss y Arango (1983).

V max 55 cm / seg = a max g

Fórmula 5

Donde: V max: velocidad máxima de onda (m/s). a max: aceleración sísmica máxima del estudio de peligro sísmico. Cálculo de la presión adicional (Ph) en el tapón producida por un MSC La fórmula propuesta por Westergaard (1931):

Ph

= cvd

Fórmula N°6

Donde: c: velocidad del sonido en el agua (m/s). v: velocidad máxima de onda (m/s). d: densidad del agua (kg/m3).

5. CASO JULCANI La unidad de producción Julcani, perteneciente a la Cía. de Minas Buenaventura S.A.A., se encuentra ubicada en el departamento de Huancavelica, provincia de Angaraes, a una altitud de 4200 msnm. El tapón de concreto materia del ejemplo se encuentra ubicado a 432 m de la bocamina de ingreso de la galería principal en el Nivel 490.

7

La información que sirvió de base para el desarrollo de la ingeniería de detalle estaba conformada por los estudios realizados por Buenaventura Ingenieros S.A. (BISA-1996) en lo que respecta a la hidrogeología y por TRC-BISA (2000) en lo referente a la ingeniería conceptual del tapón. Ingeniería de Detalle La ingeniería de detalle fue realizada por la empresa Nurivsa en el año 2000. La ingeniería se basó inicialmente sobre la aplicación del método canadiense, complementado con estudios geológicos y geomecánicos. En lo relacionado a la geología, se han realizado mapeos geológicos tanto en el interior de la galería como en la superficie, donde se ubicaron estaciones geomecánicas. Se ha utilizado el programa DIPS Versión 3.0 para la visualización de las concentraciones de las discontinuidades principales sobre la base de proyecciones estereográficas que el mencionado programa grafica. Ver Plano 2 al final del documento. A continuación se resumen los resultados geomecánicos obtenidos en superficie utilizando las clasificaciones de macizos rocosos propuestos por Bieniawski (1973) a través del método RMR modificado de 1979 y el índice Q propuesto por Barton en 1974. TABLA 1 CLASIFICACIÓN GEOMECÁNICA EN SUPERFICIE

Nivel 490

NIVEL

Estación Geomecánica E1 E2 E3 E4 E5 E6

RMR Básico 57 54 50 43 43 43

RMR Ajustado 53 54 50 43 43 38

Clase de Roca III III III III III III

8

TABLA 2 CLASIFICACIÓN GEOMECÁNICA EN INTERIOR DE GALERÍA Litología

Pórfido Riodacítico

Nivel 490

Nivel

Tramo (m) 0- 014 014-050 050-079 079-127 127-200 200-240 240-260 260-290 290-320 320-350 350-400 400-425 Tapón

RMR Básico 31 32 49 39 46 51 51 54 52 48 52 55 59

RMR Ajustado 31 32 49 39 46 51 39 54 52 48 52 55 59

Indice Q 0.46 3.88 5.83 1.85 4.16 3.24 3.33 3.24 3.33 6.25 3.88 8.75 2.92

Clase de Roca IV IV III IV III III IV III III III III III III

Cálculo de la Longitud del Tapón La longitud del tapón ha sido calculada por los métodos japonés y canadiense teniendo en consideración los parámetros físicos, ensayo de corte directo (ASTM D-5607-94) realizados en el laboratorio de mecánica de rocas de la Pontificia Universidad Católica del Perú, y diseño de mezclas de concreto realizado en el laboratorio de ensayo de materiales del Sencico. A continuación presentamos en las tablas 3 y 4 los parámetros de diseño en lo referente a la roca de fundación entre otros datos y las características del concreto utilizado.

9

TABLA 3 PARÁMETROS DE DISEÑO Esfuerzo cortante de roca Esfuerzo cortante de concreto Sismo máximo probable Período de retorno sísmico Altura de la carga de agua Dimensiones de la galería Tipo de tapón Longitud de tapón Clase de roca de fundación Tipo de roca

61.17 Ton/m2 88.74 Ton/m2 0.21g 500 años 155 m Ancho: 2.60 m Altura: 2.70 m Tronco-Cónico 5.10 m III Pórfido riodacítico

TABLA 4 CARACTERÍSTICAS DEL CONCRETO Cemento Resistencia de diseño Relación agua/cemento Cemento por m3

Andino Tipo V F’c= 280kg/cm2 0.443 458 Kg

Agua por m3

203 litros

Hormigón por m3

1685 Kg

Proporción en volumen Cantera Ph agua de amasado

1:3.7/18.8 (*) Palcas >7

En las tablas 5, 6 y 7 se presentan los resultados de los cálculos por los diferentes métodos de evaluación en función de las condiciones estáticas y dinámicas de diseño.

10

6. CONCLUSIONES §

En lo referente a los factores de seguridad, el método canadiense presenta valores más conservadores que el método japonés.

§

Según la clasificación de los tipos de estructura de cerramientos de mina, podemos definir que la construcción del tapón 490 es del tipo mixto debido a que también se han construido otras estructuras como muros de contención que forman parte del sistema de cierre general.

§

Los tapones del tipo paralelo por lo general presentan una longitud de diseño en proporción 2:1 con respecto a tapones del tipo barril y/o tronco cónico, según los resultados de los métodos de evaluación propuestos.

§

Para la predicción del nivel máximo de inundación (NMI) se han realizado inspecciones visuales y monitoreos periódicos al interior de las galerías de las áreas en abandono y en explotación. Así mismo, se revisaron las labores superficiales y zonas de posibles embalses de agua considerando los estudios hidrogeológicos realizados.

§

Las galerías desde el nivel 490, sector donde se construyó el tapón hasta el nivel 420, en la actualidad se encuentran inundadas. Es decir, sobre el tapón construido se ejerce una carga de agua de 70m en promedio de los 155m diseñados.

§

El monitoreo de las aguas de inundación a la fecha viene siendo realizado por el Departamento de Medio Ambiente de Julcani. El valor del pH antes de la construcción del tapón tenía un valor promedio de 1.5. En la actualidad se obtienen valores de pH entre 2.5 y 3.

§

Los diseños realizados a la fecha se complementarán con los resultados de los estudios de estabilidad y flujo que se vienen desarrollando.

§

Debido a la escasa experiencia en el Perú en el diseño y construcción de tapones, el presente tema pretende ser un aporte técnico para el desarrollo de estas estructuras.

11

7. REFERENCIAS §

Lang B. (2000), “Design and construction of tunnel plugs and bulkhead”. University of British Columbia. Department of Mining and Mineral Process Enginnering. Vancouver – Canadá.

§

Kuboki E. (1996), “Ejemplos de medidas tomadas para evitar la contaminación en minas abandonadas” Organización Minera Metálica del Japón (OMMJ). Simposium Contra Medidas Ambientales de Desarrollo Minero. Lima – Perú.

§

TRC Hidro-Geo Ingeniería – BISA (2000), “Plan de Cierre Mina Julcani”, Cía. de Minas Buenaventura S.A.A. Gerencia de Operaciones Metalúrgicas. Lima – Perú.

§

NURIVSA (2000), “Estudio geológico y geomecánico para el taponeo de minas subterráneas, Niveles 400, 420, 490, 580 y 1000”. Cía de Minas Buenaventura S.A.A.- Gerencia de Operaciones Metalúrgicas. Lima- Perú.

§

Hoek E. & Diederichs M.S. (1989), DIPS “Program for plotting, analysis and presentation of structural data using spherical proyection techniques“. Rock Engineering Group, University of Toronto. Toronto - Canadá.

§

ASTM D-5607-94 (1994) “Standart test method for performing laboratory direct shear strenght test or rock specimens under constant normal stress“. Annual Book of ASTM Standarts – Vol 04.08 (II) Pp 380 – 389.

12

TABLA 5 EVALUACIÓN DEL CÁLCULO DEL TAPÓN NIVEL 490 - CONDICIONES ESTÁTICAS Método de Diseño

Tipo de Tapón (Método Constructivo)

Fórmula Aplicada

L estática

F seguridad

L estática Diseño

Método Japonés

Tapón tipo paralelo

Fórmula No. 1

3.78m

2

7.56m

Método Japonés

Tapón tipo barril

Fórmula No. 2

1.78m

2

3.56m

Método Canadiense

Tapón tipo paralelo

Fórmula No. 3

3.36m

3

10.08m

Método Canadiense

Tapón tipo tronco-cónico

Fórmula No. 4

1.68m

3

5.04m

TABLA 6 EVALUACIÓN DEL CÁLCULO DEL TAPÓN NIVEL 490 – CONDICIONES DINÁMICAS Método de Diseño

Tipo de Tapón (Método Constructivo)

Fórmula Aplicada

L dinámica

F seguridad

L Dinámica Diseño

Método Canadiense

Tapón tipo paralelo

3.36m

2.0

6.72 m

Método Canadiense

Tapón tipo tronco-cónico

Fórmula No. 3 modificada para Ph Fórmula No. 5 y 6

1.68m

2.0

3.36 m

TABLA 7 TAPÓN DISEÑADO NIVEL 490 Método de Diseño

Método Canadiense

Tipo de Tapón Método Constructivo

Fórmula Aplicada

L Estática

Fs Estática

L Diseño

L Dinámica

Fs Dinámico

L dinámico diseño

Tapón tipo tronco cónico

Fórmulas No. 4,5 y 6

1.68m

3

5.10m

1.80m

2

3.60m

Condición Estática

Condición dinámica

13

Tipo Descarga Nula

Tapones de Concreto Monolítico

Tipo Rebose

Tipo Cierre de ingreso de Aire

Tipo Mixto Estructuras de Cerramiento de Minas Bajo Nivel Freático

Levantamiento Topográfico, Estudio Hidrogeológico y Estudios Geológicos y Geomecánicos

Método Japonés Condiciones Estáticas Construcción, Supervisión Monitoreo Método Canadiense Condiciones Estáticas y Dinámicas

Tipo Cierre de ingreso de Aire Muro de Contención Tipo Mixto

CUADRO No. 1

14

15

16