Programa Nacional de Minería Alta Ley Informe de Conceptualización Proyecto Tranques Inclusivos

Programa Nacional de Minería Alta Ley

Informe Final Conceptualización Proyecto DESARROLLO DE HERRAMIENTAS TECNOLÓGICAS PARA EL MONITOREO DE DEPÓSITOS DE RELAVES Marzo de 2015

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Tabla de Contenido 1

Resumen Ejecutivo ............................................................................................................ 5

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Introducción...................................................................................................................... 8

3

Antecedentes .................................................................................................................. 13

4

3.1

Contexto ............................................................................................................................ 13

3.2

La estabilidad física en depósitos de relaves .................................................................... 17

3.3

La estabilidad química en depósitos de relaves ................................................................ 21

Estado del Arte................................................................................................................ 23 4.1

Estado de Arte Sistemas de Monitoreo ............................................................................ 23

4.2

Estado de Arte Instrumentación ....................................................................................... 28

4.2.1

Equipos para el monitoreo de la estabilidad física...................................................................................... 28

4.2.2

Equipos para el monitoreo de la estabilidad química ................................................................................. 35

4.3

5

Estado de Arte Modelación ............................................................................................... 43

4.3.1

Modelos de estabilidad física ...................................................................................................................... 44

4.3.2

Modelos de estabilidad química ................................................................................................................. 45

4.4

Estado de Arte Sistemas de Comunicación ....................................................................... 57

4.5

Estado de Arte Evaluación de Riesgo ................................................................................ 57

Especificaciones Técnicas para el monitoreo de los depósitos de relaves.......................... 61 5.1

Requerimientos del índice de estabilidad física ................................................................ 61

5.1.1

Objetivo índice de estabilidad física (Índice de Estabilidad Física IEF) ........................................................ 61

5.1.2

Parámetros relevantes para el índice de estabilidad física ......................................................................... 62

5.2

Requerimientos del índice de estabilidad química ........................................................... 63

5.2.1

Objetivos índice de estabilidad química ..................................................................................................... 63

5.2.2

Parámetros relevantes para el índice de estabilidad química .................................................................... 65

5.3 5.3.1

Requerimientos del índice riesgo ...................................................................................... 66 Objetivos índice de riesgo ........................................................................................................................... 66

5.3.2 Parámetros y factores mínimos a considerar para el desarrollo del índice de riesgo asociados a la estabilidad física y química .......................................................................................................................................................... 67

6

Referencias ..................................................................................................................... 68

7

Información de Contacto ......................................................... ¡Error! Marcador no definido. 2

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Anexos ............................................................................................................................ 79 8.1

Anexo 1: Informe de talleres de trabajo (digital) .............................................................. 79

8.2 Anexo 2: Estado del Arte Detallado Instrumentación y Métodos de Laboratorio para Monitoreo de Calidad del Agua .................................................................................................... 79

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Índice Tablas TABLA 1. ESPECIALISTAS NACIONALES E INTERNACIONALES. ........................................................................................... 10 TABLA 2. RECIENTES INCIDENTES ASOCIADOS A DEPÓSITOS DE RELAVES A NIVEL MUNDIAL. .................................................. 16 TABLA 3. MÉTODOS O TECNOLOGÍAS PARA LA MEDICIÓN DE PARÁMETROS RELACIONADOS A LA ESTABILIDAD FÍSICA DE DEPÓSITOS DE RELAVES Y SU APLICACIÓN EN CHILE Y EL MUNDO................................................................................................. 31 TABLA 4. SENSORES UTILIZADOS EN DEPÓSITOS DE RELAVES........................................................................................... 34 TABLA 5. PARÁMETROS, RANGOS Y PRINCIPIOS DE MEDICIÓN DE LA CALIDAD DE AGUA. FUENTE: ENVIRONMENTAL INSTITUTE, 2014. ................................................................................................................................................................. 40 TABLA 6. PARÁMETROS, RANGOS Y PRINCIPIOS DE MEDICIÓN DE LA CALIDAD DE AGUA. FUENTE: ENVIRONMENTAL INSTITUTE, 2014. ................................................................................................................................................................. 42 TABLA 7. CÓDIGOS HIDROLÓGICOS E HIDROGEOLÓGICOS UTILIZADOS PARA LA PREDICCIÓN DEL DRENAJE MINERO. ................... 49 TABLA 8. CÓDIGOS GEOQUÍMICOS UTILIZADOS PARA LA PREDICCIÓN DEL DRENAJE MINERO.................................................. 52 TABLA 9. MODELOS APLICABLES ESPECÍFICAMENTE A DEPÓSITOS DE RELAVES. ................................................................... 56 TABLA 10. FACTORES Y PARÁMETROS A CONSIDERAR PARA EL DESARROLLO DEL ÍNDICE DE ESTABILIDAD FÍSICA. ....................... 62 TABLA 11. FACTORES Y PARÁMETROS A CONSIDERAR PARA EL DESARROLLO DEL MODELO DE ESTABILIDAD QUÍMICA.................. 65 TABLA 12. PARÁMETROS, RANGOS Y PRINCIPIOS DE MEDICIÓN DE LA CALIDAD DE AGUA PARA AGUAS SUPERFICIALES. ............... 90

Índice Figuras FIGURA 1. PRODUCCIÓN ACTUAL DE RELAVES EN CHILE DISTRIBUIDA POR RELACIÓN CON LA COMUNIDAD Y LA AUTORIDAD......... 14 FIGURA 2. UBICACIÓN DE RECURSOS FUTUROS MINEROS EN LA ZONA CENTRAL. EN DETALLE A LA DERECHA SE PRESENTAN LAS OPERACIONES ACTUALES................................................................................................................................. 15 FIGURA 3. NÚMERO DE FALLAS EN DEPÓSITOS DE RELAVE POR DÉCADA. FUENTE: AZAM & LI, 2010. .................................... 19 FIGURA 4. DISTRIBUCIÓN GEOGRÁFICA DE FALLAS EN DEPÓSITOS DE RELAVE. FUENTE: AZAM & LI, 2010. .............................. 20 FIGURA 5. CAUSAS DE FALLAS EN DEPÓSITOS DE RELAVE. FUENTE: AZAM & LI, 2010. ........................................................ 21 FIGURA 6. ESQUEMA GENERAL DEL SISTEMA DE MONITOREO TRANQUE INCLUSIVO. .............. ¡ERROR! MARCADOR NO DEFINIDO. FIGURA 7. PLC (PROGRAMMABLE LOGIC CONTROLLERS). ............................................................................................. 24 FIGURA 8. SISTEMA SCADA. ................................................................................................................................... 24 FIGURA 9. EARLY WARNING SYSTEM DE PROPÓSITO GENERAL. ....................................................................................... 25 FIGURA 10. EARLY WARNING SYSTEM DE PROPÓSITO ESPECÍFICO. .................................................................................. 26 FIGURA 11. COMPONENTES DE EWS DESARROLLADOS EN CHINA. .................................................................................. 28 FIGURA 12. INDICADORES Y SENSORES....................................................................................................................... 28 FIGURA 13. EQUIPO DE MONITOREO DE MEDICIÓN ON LINE EN TIEMPO REAL DE LA TURBIDEZ (NTU) DE UN CUERPO DE AGUA. .. 39 FIGURA 14. MEDICIONES DE TURBIDEZ (NTU) MONITOREADO EN TIEMPO REAL Y TSS APROXIMADO O EQUIVALENTE, EN UN CUERPO DE AGUA QUE RECIBE DESCARGAS PERIÓDICAS DE UN EFLUENTE CON REMOCIÓN DE SEDIMENTO. .................................. 39 FIGURA 15. SENSORES (ELECTRODOS) DIGITALES CON ACOPLAMIENTO INDUCTIVO PARA ANÁLISIS DE PARÁMETROS Y ANALITOS EN AGUAS CLARAS Y AGUA POTABLE. ..................................................................................................................... 42 FIGURA 16. ESQUEMA DEL DESARROLLO DE UN ÍNDICE LOCAL DE ESTABILIDAD FÍSICA. ............ ¡ERROR! MARCADOR NO DEFINIDO. FIGURA 17. EJEMPLO DE MONITOREO POR NIVELES...................................................................................................... 65 FIGURA 18. CONDUCTIVIDADES ESPECÍFICAS (µS/CM) PROMEDIOS DE DISTINTOS CUERPOS DE AGUA. .................................... 81 FIGURA 19. EQUIPO DE MONITOREO DE MEDICIÓN ON LINE EN TIEMPO REAL DE LA TURBIDEZ (NTU) DE UN CUERPO DE AGUA. .. 86 FIGURA 20. MEDICIONES DE TURBIDEZ (NTU) MONITOREADO EN TIEMPO REAL Y TSS APROXIMADO O EQUIVALENTE, EN UN CUERPO DE AGUA QUE RECIBE DESCARGAS PERIÓDICAS DE UN EFLUENTE CON REMOCIÓN DE SEDIMENTO. .................................. 87

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FIGURA 21. SENSORES (ELECTRODOS) DIGITALES CON ACOPLAMIENTO INDUCTIVO PARA ANÁLISIS DE PARÁMETROS Y ANALITOS EN AGUAS CLARAS Y AGUA POTABLE. ..................................................................................................................... 89

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Resumen Ejecutivo

Uno de los temas que ha alcanzado alta relevancia en la industria minera chilena y mundial, es la disposición segura, tanto para las personas como para el medio ambiente, de los relaves mineros. Algunos de los mayores riesgos de los depósitos de relaves en funcionamiento o luego de la etapa de cierre, son la ruptura de su muro de contención y la inundación de los terrenos que quedan abajo de éste. Estos eventos pueden ocurrir como consecuencia de sucesos sísmicos, climatológicos extremos o producto de otras causas (por ejemplo, rebose del muro, inestabilidad del muro y filtraciones), y han causado desastres tanto a nivel nacional como internacional (como por ejemplo, Mount Polley en Canadá el año 2014, Samarco en Brasil el año 2015 y Las Palmas en Chile el año 2010). Por otra parte, un tema de alta relevancia dentro de las evaluaciones de impacto ambiental, referido tanto a depósitos de relaves activos como inactivos, son las infiltraciones y las aguas de contacto. Esto se debe a que representan un desafío a largo plazo para las operaciones mineras, ya que pueden generar impactos ambientales incluso muchos años después de haber sido depositado el relave. Un deficiente control y mitigación de las infiltraciones y de las aguas de contacto, puede ocasionar efectos negativos sobre la salud y calidad de vida de personas, contaminación de cuerpos de agua y suelos, y efectos negativos sobre otras actividades económicas como la agricultura y ganadería. A lo anterior se suma la creciente participación ciudadana y las demandas de las comunidades para participar en las decisiones que afectan su entorno y calidad de vida, que plantean un desafío para la industria minera en relación a la disposición de los relaves, que facilite la obtención de la licencia social para operar, asegurando la continuidad operativa de los depósitos y, por consiguiente, la viabilidad de la industria minera. Actualmente, los grandes conflictos socio-ambientales involucran un 47% de la producción actual de relaves en Chile y las proyecciones indican que debido al aumento de la producción de concentrado de cobre aumentarán los volúmenes de relaves, obligando a ampliar los depósitos actuales y a construir nuevos depósitos. A esto hay que sumar que alrededor del 50% de los recursos futuros de cobre nacionales se encuentran en la Zona Central (IV a la VI Región), zona que concentra la mayor densidad poblacional (60% de la población del país) y una gran cantidad de actividades productivas relacionadas con la infraestructura, industria, agricultura y vitivinicultura. Si bien en el mercado actual existen una serie de soluciones en relación al monitoreo de parámetros relacionados con la estabilidad física y química de los depósitos de relave, las operaciones actuales se caracterizan por sus limitadas técnicas de monitoreo, bajo nivel de innovación tecnológica, datos insuficientes y porque no existe un adecuado procesamiento e integración de la información levantada, así como la falta de sistemas de alerta temprana y de comunicación a las comunidades aledañas.

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En este contexto, se considera necesario el desarrollo de un sistema de monitoreo en línea de depósitos de relaves, que ponga a disposición la información monitoreada mediante una plataforma web de información, con diferentes niveles de usuarios (por ejemplo, empresas mineras, autoridad, comunidades) los que contarán con acceso diferenciado a la información, ya sea para edición de la información, visualización, etc. Esta plataforma permitirá visualizar índices de estabilidad física y química, los que serán construidos mediante el procesamiento de la información derivada del monitoreo de parámetros y variables relevantes relacionados con la estabilidad física y química. Este monitoreo, dependiendo de cada parámetro y de los desarrollos actuales y futuros en relación a las tecnologías de monitoreo, podrá incluir información de monitoreo directo de aquellos parámetros que pueden ser medidos en línea y en tiempo real, y aquellos que requieren de un mayor análisis ya sea mediante el procesamiento de los datos a través de modelos o softwares específicos o mediante análisis de laboratorio (por ejemplo, en el caso de los parámetros químicos). Adicionalmente, los índices de estabilidad incluirán un análisis en función del riesgo asociado al comportamiento de las variables. La información en línea, por lo tanto, corresponderá tanto a información que puede ser monitoreada con una mayor frecuencia y a la información más reciente en aquellos casos en que las variables sean monitoreadas con menor frecuencia o cuyos métodos o tecnologías de monitoreo no permitan tener la información en tiempo real. Esta plataforma permitirá contar con toda la información monitoreada en un sistema único, que responderá a las exigencias legales actuales. Cabe destacar que si bien la regulación exige a las empresas mineras entregar información de forma trimestral, el sistema de monitoreo propuesto permitiría a la autoridad actualizar los contenidos de los informes trimestrales, mantener información al día y establecer buenas prácticas en relación a la entrega de información. El sistema será alimentado mediante instrumentación y sensores que permitan levantar parámetros relacionados con la estabilidad física y química de los depósitos, así como también, por ejemplo, mediante la instalación de cámaras de video y circuito cerrado, para visualizar el muro, cubeta y otras obras, en línea, de forma tal que sea visto por el público en general, las autoridades y la empresa minera. El procesamiento de los datos en la plataforma permitirá no sólo contar con un sistema de apoyo a la toma de decisiones y gestión de la operación, sino que también permitirá contar con un sistema de alerta ante parámetros que amenacen la estabilidad de los depósitos. De acuerdo al levantamiento del estado de arte de monitoreo in-situ realizado por expertos nacionales, las condiciones específicas de los tranques de relaves limitan y condicionan el uso de varios de los sensores y técnicas de monitoreo in-situ y en línea existentes. Es así como la calidad de las aguas de los tranques de relaves constituye un factor crítico para el uso de los sensores de medición existentes, tanto in-situ como en línea, provocando incrustaciones y depósitos sobre ellos y afectando de esta manera la sensibilidad del electrodo o sensor. Para aquellos tranques que usan agua de mar en sus procesos este factor es aún crítico. A esto se suma que solo un monitoreo en tiempo real entrega un cuadro de variaciones actualizado de los parámetros en el tiempo; en este sentido es relevante contar con información en línea en cuanto a la presencia de trazas inorgánicas (metales, metaloides como arsénico e iones como sulfato) y de parámetros físico-químicos de la

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calidad de aguas, debido a la importancia que presenta el conocer estos parámetros en línea, para alertar de situaciones anómalas o de contaminación medioambiental (de las aguas) que puedan generar efectos perjudiciales. El desarrollo actual de electrodos específicos no permite un monitoreo en línea y en tiempo real de todos estos analitos; solamente algunos parámetros pueden ser monitoreados con exactitud por sensores específicos para aguas potables y aguas muy claras antes de su potabilización. Sin embargo, éstos no son operables en las aguas claras de los tranques de relaves debido a la alta fuerza iónica y sólidos en suspensión en este tipo de aguas, que provocan incrustaciones y depósitos de partículas en los sensores, aun provistos con sistemas autolimpiantes. Esto implica el desafío de desarrollar e incorporar nuevas tecnologías de sensores para aguas de alta salinidad y alta turbiedad y con contenidos elevados de sólidos suspendidos. A su vez y en relación a la estabilidad física de los tranques de relaves es recomendable incorporar en el modelo 1) sensores de señales no disponibles en el mercado; 2) sensores basados en imágenes captadas por cámaras, o imágenes satelitales correspondientes a zonas en estudio; 3) sensores virtuales o soft sensors que en base a software reemplacen la medición mediante dispositivos físicos. La tecnología actual de mediciones de la estabilidad física está basada en instrumentos que transforman las deformaciones o temperaturas en variables eléctricas como los Strain-gauges, cuerdas vibrantes, extensómetro, inclinómetros, deformación de un cable coaxial (TDR). En este sentido se considera necesario complementar estas mediciones con nuevos métodos que deben desarrollarse como por ejemplo distanciómetros laser y radares locales usados en topografía y su adaptación a depósitos de relaves, que miden desplazamientos y grandes deformaciones. Finalmente y en materia de modelos de estabilidad física y química, se tiene el desafío de desarrollar modelos complejos que permitan comprender la fenomenología y la fluodinámica de los relaves y que integrados a los sistemas de medición y control permitan una mejor gestión operacional y de situaciones anómalas que requieran activar protocolos de alerta.

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Introducción

El Programa Nacional de Minería Alta Ley es una iniciativa impulsada por Corfo y coordinada por Fundación Chile, cuya visión derivó del documento, “Minería: Una Plataforma de Futuro para Chile” (2014), elaborado por la Comisión Minería y Desarrollo de Chile del Consejo de Nacional de Innovación y Competitividad, para la Presidenta Michelle Bachelet, en el que se establece que hacia 2035 la minera chilena habrá logrado: “Exportar 130 a 150 millones de toneladas de cobre y otros minerales, en los 20 años que median entre 2015 y 2035 habiéndose materializado la enorme inversión que ello requiere. Ochenta por ciento de esta producción estará ubicada en los dos primeros cuartiles de costos de la industria a nivel global. Además se habrán creado 250 empresas proveedoras de clase mundial que exportan tecnologías y servicios intensivos en conocimiento con negocios ese año por un total de US$ 10.000 millones. Establecer un liderazgo global en minería sostenible. Gracias a una gestión ambiental con normas y referencias para el sector basadas en las mejores prácticas industriales, que permitan racionalizar las exigencias y los procesos de permisos, facilitando el control por parte del Estado. De esta forma se habrá reducido la demanda por agua dulce y energía respecto del año base proyectado (BAU 2010), además de las emisiones de GEI y no se producirán pérdidas netas de biodiversidad, contribuyendo así a la conservación del patrimonio natural del país. Crear relaciones de confianza y colaboración entre todas las partes involucradas en el quehacer minero. Lo anterior se ha hecho posible mediante un diálogo permanente, fluido, transparente y en igualdad de condiciones y se ha cristalizado en acuerdos de beneficio compartido que, al implementarse, permiten avanzar en el progreso del bien común. Asimismo está arraigada la existencia y el cumplimiento de estándares de relacionamiento comunitario y laboral, que comprometen el respeto a los acuerdos por todas las partes en una relación de largo plazo orientada al mutuo beneficio”. Para alcanzar esta visión se establecieron 3 atributos que debiesen modelar el desarrollo de la industria en el largo plazo y su entorno directo. Estos son: 

Minería Virtuosa: “Es aquella que fortaleciendo su competitividad y productividad, tiende a generar las condiciones para que emerja un ecosistema robusto de innovación. La minería virtuosa se impulsa a partir de la acción individual y el esfuerzo colectivo. Este último se funda en una agenda de acción compartida entre la industria minera, la industria de proveedores mineros, la comunidad científica, los pueblos originarios, las comunidades involucradas y el Estado. A partir de esta agenda, aumenta la inversión para ampliar la capacidad productiva y completar su tránsito desde una industria basada en las ventajas naturales del país, a una de mayor complejidad. Los beneficios de este desenvolvimiento son

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múltiples puesto que contrarrestan el deterioro de las leyes de nuestros minerales y actúan como catapulta para que Chile se integre a cadenas globales de valor y a la sociedad del conocimiento, exhibiendo los más altos estándares de respeto a los derechos de las personas. La minería virtuosa asume sus tareas económicas, tecnológicas, sociales y ambientales como fuerzas motrices para la creación de nuevas capacidades y actividades productivas. De este modo se erige como potencia minera que invierte en conocimiento y asegura la excelencia en la investigación, innovación, ingeniería, producción y comercialización, logrando mantenerse sustentable, competitiva y rentable en el largo plazo. Convertida así en polo de desarrollo tecnológico de última generación y empoderada para solucionar problemas tecnológicos, ambientales y sociales, la minería virtuosa multiplica los beneficios sobre otras industrias y sectores. No sólo robustece su cometido, sino que se consolida como agente de cambio al servicio de la sociedad”. 

Minería Incluyente: “Es aquella que favorece la participación de las comunidades que viven o trabajan en zonas de influencia de la minería en los beneficios que ésta genera. La minería inclusiva apunta a crear valor compartido con su entorno social y mantiene un diálogo fluido y permanente con sus trabajadores; en un marco de pleno respeto a los derechos de todas las partes. Un Estado presente y activo debe generar condiciones institucionales de convivencia para el bien común y promover el diálogo y la participación previa, libre, informada, responsable y de buena fe de los pueblos indígenas y de las comunidades próximas a la faena minera. Además, debe administrar eficiente y justamente la parte de la renta que le corresponde de un recurso natural que no es renovable y cuyo sano desenvolvimiento beneficia a todo el país”.



Minería Sostenible: “Es aquella que integra en el diseño de sus operaciones todas las variables críticas que afectan el sistema socio-ambiental en que se desenvuelve. De este modo previene, evita, minimiza, mitiga y compensa sus impactos ambientales –incluida la ecología y biodiversidad, la calidad del agua y del suelo-, y también los sociales y culturales a lo largo de todo el ciclo de vida, hasta el cierre y abandono de los proyectos. La industria opera con prácticas, tecnologías y estándares medioambientales verificables y de clase mundial. Privilegia así el interés y los derechos de las actuales y futuras generaciones. En este contexto el Estado asume un rol más efectivo en la adecuada protección del medioambiente, a través de medios tales como el ordenamiento del territorio, la regulación y la fiscalización de las externalidades de la industria”.

Una de las iniciativas desarrolladas por el Programa Nacional de Minería Alta Ley el año 2015 es la Hoja de Ruta de la Minería 2035, la cual establece una serie de desafíos u oportunidades que deben abordarse para alcanzar las metas de la industria al 2035. Estos desafíos fueron priorizados por la industria y constituyen una serie de Núcleos Traccionantes y Habilitadores. Dentro de los Núcleos Traccionantes se encuentran: (1) Planificación y Operación Minera, (2) Concentración de Minerales, (3) Relaves, (4) Hidrometalurgia, y (5) Fundición y Refinería.

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Para el núcleo “Relaves” se definió la siguiente visión: “Alcanzar un liderazgo tecnológico mundial que, aplicado al diseño, operación y cierre ambiental en el manejo de relaves, facilite la obtención de la licencia social para operar y asegure el desarrollo de la industria minera”.

Además, la gestión de los relaves se caracterizará por ser: 1. Virtuosa: Porque se hace cargo de los desafíos y crea conocimiento, tecnologías y capacidades de clase mundial para el manejo de relaves. 2. Sostenible: Integrando todas las variables críticas que afectan al sistema socio-ambiental en el que se desarrolla la actividad minera, generando información accesible que refuerce las confianzas de las comunidades. 3. Inclusiva: Favoreciendo la participación de las comunidades que viven o trabajan en zonas de influencia. Los desafíos que se identificaron para el núcleo “Relaves” son:

D1. Propiciar la inclusión y aceptación comunitaria

D2. Enfrentar la creciente escasez de agua y superficie

D3. Minimizar la generación de infiltraciones y aguas de contacto, su impacto y asegurar la estabilidad de los depósitos

D4. Promover la conversión desde un pasivo a un activo

El presente documentocontó con la participación de los siguientes especialistas nacionales e internacionales: Tabla 1. Especialistas nacionales e internacionales.

Especialista Pedro Verona

Títulos

Resumen Experiencia

 Ingeniero de Minas. Universidad Politécnica de Madrid (1986)

Posee una experiencia inigualable a nivel nacional e internacional en estudios de estabilidad de taludes, balsas de decantación y pilas de lixiviación, análisis numérico de diversas problemáticas asociadas a la minería subterránea (estallidos de roca, estabilidad de pilares, secuencia de extracción, sostenimiento de galerías, subsidencia) y proyectos de ingeniería civil (túneles, grandes cavernas, pantallas,

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Especialista

Títulos

Resumen Experiencia cimentaciones), análisis de almacenaje subterráneo de residuos nucleares, entre otros. Es miembro del Comité Nacional Español de Grandes Presas y de A.E.T.O.S. ( Asociación Española de Túneles y Obras Subterráneas) Asimismo, ha publicado numerosos artículos en congresos y revistas, de ámbito nacional e internacional.

Enrique Román

 Docteur d’État (ès Sciences) Université de Rennes (France 1979),  Docteur de Troisième Cycle Université de Rennes (France 1977),  Maitrise en Chimie (Equiv. Licenciatura en Química) Université de Rennes (France 1975).

Jorge San Martin

 University of Chile, Santiago Civil. Eng. Diploma 1988;  University Pierre & Marie Curie, Paris 6 D.E.A. 1992;  University Pierre & Marie Curie, Paris 6 Docteur d’Universit´e 1996

Aldo Cipriano

 Postgrado Doktor Ingenieur, Technische Universität München, 1981;  Postgrado Magíster en Ingeniería Eléctrica, U. de Chile, 1974;  Título Ingeniero Civil Electricista, U. de Chile, 1973.

Más de 40 años entre la industria minera y la academia. Los últimos 21 años los ha dedicado a la conceptualización y diseño de procesos metalúrgicos en las áreas de la Hidrometalurgia y Bio-Hidrometalurgia, Procesamiento de Minerales, Electro-Refinería y Tratamiento de Efluentes y Residuos de la minería del cobre, trabajando en instituciones como el Centro de Investigación Minera y Metalúrgica (CIMM), el Instituto de investigación Minera y Metalúrgica (IM2) y en BioSigma. Ocho patentes y presentaciones a congresos en estas áreas son el resultado de sus investigaciones, donde ha actuado primero como investigador Senior y luego como Director de Desarrollo Tecnológico. Experiencia en el desarrollo de proyectos de colaboración con socios industriales, principalmente de la industria minera, donde la comprensión y aplicación de modelos matemáticos de la mecánica de medios continuos y de los fenómenos de transporte (de masa, momento y/o energía) son relevantes. Profesor de docencia, investigación, consultoría y extensión en cuatro instituciones de educación superior, y ha colaborado con Conicyt, Fondecyt, otros centros de investigación y diversas empresas. En la UC ha desempeñado numerosos cargos, entre ellos los de Vicedecano y Decano de la Facultad de Ingeniería, éste por dos períodos. Su actividad de investigación ha incluido temas de fundamentos así como aplicaciones del control automático al mundo real. Ha desarrollado sistemas de control avanzado y de inferencia de información en tiempo real para procesamiento de minerales, ámbito en el cual también ha realizado una actividad relevante de consultoría. Asimismo le motivan otras áreas en las cuales es posible aplicar las técnicas de análisis y control de sistemas dinámicos: gestión de

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Especialista

Títulos

Resumen Experiencia desastres naturales, energía, alimentos, transporte, ingeniería biomédica.

A su vez participaron activamente en la elaboración del presente documento:  Rodrigo Moya, AMSA  Sebastián Fernández, AMSA  Paulina Carrasco, Corfo  Luis Felipe Mujica, Micomo  Enrique Molina, FCH  Angela Oblasser, FCH  María Carolina Soto, FCH  Carmen Gloria Dueñas, FCH

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Antecedentes Contexto

Hoy en día, la disposición segura de los relaves mineros, tanto desde el punto de vista medio ambiental como social, es uno de los temas que ha alcanzado alta relevancia en la industria minera chilena y mundial. En Chile, la generación de este material de descarte está asociada principalmente al proceso de concentración de sulfuros de cobre. Los relaves son principalmente almacenados en depósitos, ya que en la actualidad la mayoría de sus componentes no son reprocesados ni reutilizados en el proceso productivo. Un depósito de relaves está típicamente formado por un muro de contención, construido normalmente con la fracción gruesa del relave, y una cubeta. En la cubeta los sólidos finos sedimentan y en la superficie se forma una laguna de aguas claras (Guía de Buenas Prácticas Ambientales para la Pequeña Minería, 2003). En faenas mineras ubicadas en zonas cordilleranas, estas estructuras se construyen en quebradas, quedando los relaves soportados principalmente por muros naturales, realizándose obras para el desvío de los cauces de agua, cerrando la cuenca a través de un muro de contención, definiendo de esta manera la cubeta sobre la cual se almacenarán los residuos. Uno de los mayores riesgos de los tranques de relaves en funcionamiento o después de la etapa de cierre, son la ruptura de su pared de contención y la inundación de los terrenos que quedan abajo de éste. Estos eventos pueden ocurrir como consecuencia de sucesos sísmicos, climatológicos extremos o producto de otras causas. Otro tema de alta relevancia dentro de las evaluaciones de impacto ambiental, referido tanto a depósitos de relaves activos o inactivos, son las infiltraciones. Esto se debe a que representan un desafío a largo plazo para las operaciones mineras, ya que pueden generar impactos ambientales incluso muchos años después de haber sido depositado el relave. Un deficiente control y mitigación de las infiltraciones, puede ocasionar efectos negativos sobre la salud y calidad de vida de personas, contaminación de cuerpos de agua y suelos, y efectos negativos sobre otras actividades económicas como la agricultura y ganadería. Otro antecedente a considerar es la activa participación ciudadana. Hoy en día, las comunidades demandan participar en las decisiones que afectan su entorno y calidad de vida, siendo un fenómeno a nivel mundial, con clara expresión en Chile. Lo anterior, requiere un especial esfuerzo de la industria minera en el tratamiento y disposición de los relaves, que facilite la obtención de la licencia social para operar, asegurando la continuidad operativa de los depósitos y por consiguiente la viabilidad de la industria minera. Es así como hoy una importante proporción de los depósitos de relaves actualmente en funcionamiento presentan dificultades con las comunidades cercanas, dificultades que se traducen en reclamos a la autoridad y acciones legales, como se muestra en la Figura a continuación.

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Grandes reclamos 12%

Sin Problemas 53% Conflictos serios 35%

Figura 1. Producción actual de relaves en Chile distribuida por relación con la comunidad y la autoridad. Fuente: JRI Ingeniería, 2015.

La existencia de grandes reclamos y conflictos serios, que involucra un 47% de la producción actual de relaves (JRI Ingeniería, 2015), ejemplifica las dificultades que podrían obstaculizar el cumplimiento de las metas de producción establecidas del sector. Para enfrentar la dificultad recién señalada, se debe buscar una solución integral que aborde no solamente los conflictos sociales, sino además los desafíos asociados a la estabilidad física y química, y la escasez de agua y de superficie, generando espacios de participación con las comunidades, de tal forma de involucrarlas y comunicar de manera efectiva los avances para facilitar la aceptación. La ocurrencia de fenómenos naturales en áreas o cuencas que contienen relaves en operación, en cierre o abandonados gatilla inmediatamente la interrogante acerca de la integridad de estas instalaciones, requiriendo información actualizada y oportuna tanto para las mismas operaciones, las autoridades como también las comunidades. Un ejemplo a nivel nacional de conflictos asociados a los depósitos de relaves ocurre en la IV Región, entre la comunidad de Caimanes y Minera Los Pelambres (tranque El Mauro), al cual se suman otros casos de menor impacto mediático, como Talabre y la comunidad de Chiu-Chiu. La participación e interés de la comunidad es de relevancia para la industria y, de no mediar acciones, podría adquirir mayor importancia, de modo que la continuidad operacional de las compañías mineras depende de sus relaciones con la comunidad, mediante información adecuada y del reforzamiento operacional que satisfaga a todos los actores. Para enfrentar la dificultad recién señalada, se deben satisfacer los requisitos legales e inquietudes de la comunidad, utilizando los recursos técnicos y tecnológicos más actuales e informar a la comunidad de tales avances, de forma expedita y clara. Al rechazo creciente de las comunidades a la disposición de relaves en Chile, se suma la escasez de superficie para los depósitos y el fuerte incremento de la producción de relaves en Chile. A su vez, el aumento de la producción de concentrado de cobre proyectado en el futuro conllevará a la generación de mayores volúmenes de relaves, que a su vez obligarán a ampliar los depósitos de relaves existentes y a construir nuevos depósitos. Según lo definido en el documento “Minería: Una

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plataforma de futuro para Chile”, en el período comprendido entre los años 2015 y 2035, la minería chilena habrá exportado entre 130 y 150 millones de toneladas de cobre. Esto requeriría un aumento de producción cercano al 25% tomando como base lo exportado en 2013 (5,6 millones de toneladas) y comparándolo con un valor promedio para el período mencionado (7 millones de toneladas anuales). A partir de lo anterior es posible visualizar un escenario donde la generación actual de relaves podría casi duplicarse hacia el año 2035. Se espera un incremento en la generación de relaves desde los 600 millones de toneladas por año (2014) a 1.100 millones de toneladas por año (2035), según estimaciones de Fundación Chile, Mayo 2015. “Hoy, en 36 horas se depositan relaves equivalentes a un Cerro Santa Lucía (2.572.263 toneladas), dentro de 20 años lo haremos en sólo 21 horas”1. A esto hay que sumar que alrededor del 50% de los recursos futuros de cobre nacionales se encuentran en la Zona Central (IV a la VI Región) (Figura 2), estimadas de acuerdo a la SONAMI con información 2015 del USGS, y utilizando el porcentaje de recursos indicados por los Anual Reports 2013, en un 15% de las reservas mundiales y equivalentes a 105 millones de toneladas métricas de cobre fino. Esta zona se caracteriza por ser la zona de mayor densidad poblacional (60% de la población del país) y por concentrar una gran cantidad de actividades productivas relacionadas con la infraestructura, industria, agricultura y vitivinicultura. Los ingresos del Fisco provenientes de la explotación de cobre ascenderían a US$ 165 mil millones, considerando como base el promedio aportado por la minería en la década 2004-2013.

Figura 2. Ubicación de recursos futuros mineros en la zona central. En detalle a la derecha se presentan las operaciones actuales. Fuente: SONAMI

1 Estimación de Fundación Chile

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Este incremento de producción tendrá diversos efectos, dentro de los que se destacan el aumento numérico de la comunidad afectada y el conflicto por el cambio de uso de suelos, por el manejo de recursos, tanto de agua de riego como de disposición de residuos. Estos efectos se atenderán dentro del marco legal, pero es importante desarrollar herramientas de mayor transparencia e información a las autoridades y comunidades sobre sus depósitos de relave. Pero no solamente la escasez de superficie y del recurso hídrico sino también los temores de las comunidades aledañas a los depósitos de relaves de estar expuesto a un riesgo inminente y a su vez permanente para la seguridad y salud de las personas y del medio ambiente y por la potencial afectación del sistema hídrico en el área de influencia originan los conflictos socio-ambientales. Estos temores se ven agudizados por los recientes incidentes en el mundo como es el colapso del tranque de relaves de la mina Samarco en octubre del 2015 y el colapso del tranque de relaves de la mina Mount Polley el año 2014, para nombrar solo los casos más difundidos en los medios a nivel nacional. La tabla a continuación muestra un resumen de los recientes incidentes a nivel mundial asociados a los depósitos de relaves. Tabla 2. Recientes incidentes asociados a depósitos de relaves a nivel mundial.

Fecha 2015, Nov. 21

Ubicación

Compañías

Hpakant, Kachin state, Myanmar

S/I

Germano mine, Bento Rodrigues, distrito de Mariana, Região Central, Minas Gerais, Brazil Herculano mine, Itabirito, Região Central, Minas Gerais, Brazil Buenavista del Cobre mine, Cananea, Sonora, Mexico Mount Polley mine, near Likely, British Columbia, Canada Zangezur Copper Molybdenum Combine , Kajaran, Syunik province, Armenia Obed Mountain Coal Mine, northeast of Hinton, Alberta, Canada Former Gullbridge mine site, Newfoundland, Canada

Samarco Mineração S.A. Billiton , 50%Vale )

Sotkamo, Kainuu province, Finland

Talvivaara Mining Company Plc

Mianyang City, Songpan County, Sichuan Province, China Kolontár, Hungary (Aerial View: Google Maps )

Xichuan Minjiang Manganese Plant

2010, Jun. 25

Huancavelica, Peru

Unidad Minera Caudalosa Chica

2009, Ago. 29

Karamken, Magadan region, Russia

Karamken Minerals Processing Plant

2009, May. 14

Huayuan County, Xiangxi Autonomous Prefecture, Hunan Province, China

S/I

2015, Nov. 5 2014, Sep. 10 2014, Ago. 7 2014, Ago. 4 2013, Nov. 1519 2013, Oct. 31 2012, Dic. 17 2012, Nov. 4 2011, Jul. 21 2010, Oct. 4

(50% BHP

Herculano Mineração Ltda Southern Copper Corp. México )

(Grupo

Imperial Metals Corp. Cronimet Mining AG Sherritt International S/I

Electrolytic

MAL Magyar Alumínium

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Fecha 2008, Dic. 22 2008, Sep. 8

Ubicación Kingston fossil plant, Harriman, Tennessee, USA Taoshi, Linfen City, Xiangfen county, Shanxi province, China

Compañías Tennessee Valley Authority Tashan mining Company

2007, Ene. 10

Miraí, Minas Gerais, Brazil

Mineração Rio Pomba Cataguases Ltda

2006, Nov. 6

Nchanga, Chingola, Zambia

Konkola Copper Mines Plc (KCM) (51% Vedanta Resources plc )

2006, Abr. 30

near Miliang, Zhen'an County, Shangluo, Shaanxi Province, China

Zhen'an County Gold Mining Co. Ltd.

2005, Abr.l 14

Bangs Lake, Jackson County, Mississippi, USA

Mississippi Phosphates Corp.

Fuente: http://www.wise-uranium.org/mdaf.html

A continuación se presentan los casos registrados en Chile de colapsos de tranques de relaves, los que han estado asociados principalmente a eventos sísmicos (Toro, 2009):         

Terremoto de 1965: colapso Tranque El Cobre, mina El Soldado; más de 200 muertos Terremoto 1928: colapso Tranque Barahona; 55 personas mueren Terremoto 2010: colapsaron 5 depósitos, entre ellos el tranque mina abandonada Las Palmas; 4 muertos Las Cenizas 1981: Las aguas lluvias arrastraron relave de la minera Las Cenizas hasta el sector de Quimquimo, llegando hasta el borde de la carretera 5 Norte. Tranque Estay 1987: Colapso del tranque por crecida del estero El Bronce. División Andina CODELCO 2000: Derrame de relaves en la quebrada El Maitén. Minera Cobrex 2002: Derrame de 8.000 m³ de relaves al río Elqui. División Chuquicamata CODELCO 2002: Rotura de cañerías y derrame de relaves. Cerro Negro 2003: Rotura del muro de su tranque de relave Nº 5 y escurrimiento de agua con parte de relaves aguas abajo.

A su vez, el año 2015 se produjo un temporal en el norte de Chile, generando incertidumbre y preocupación en las comunidades acerca de la estabilidad de los depósitos de relaves en la zona. En días posteriores, la autoridad logró constatar que no se produjeron colapsos en ningún depósito de relaves, información que se hizo llegar a la comunidad, pero que no tuvo un efecto tranquilizante inmediato. En Chile, actualmente la autoridad encargada de la regulación de los depósitos de relaves es el Servicio Nacional de Geología y Minería (en adelante, SERNAGEOMIN), a través del Departamento de Depósitos de Relaves, el que fue creado por resolución N°1345 el 8 de julio de 2014.

3.2

La estabilidad física en depósitos de relaves

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A nivel nacional, el Decreto Supremo N°2482, Reglamento para la aprobación de proyectos de diseño, construcción, operación y cierre de los depósitos de relaves, tiene por objetivo fijar normas sobre procedimientos para la aprobación de los proyectos de depósitos de relaves mineros, y sobre los requisitos de diseño, construcción, operación y cierre de los depósitos de relaves mineros y la disposición de sus obras anexas, de manera tal que garanticen la seguridad de las personas y de los bienes (Capítulo Primero, Artículo 1). Este reglamento es aplicado y fiscalizado por el Servicio Nacional de Geología y Minería. En relación a la estabilidad física de los depósitos de relave, este decreto menciona que dentro de la solicitud de aprobación del proyecto se debe presentar, entre otros requisitos, un análisis estabilidad de taludes para el diseño del depósito en sus etapas de operación y cierre, incluyendo diferentes fases de precisión según la importancia y la evaluación de los riesgos que el depósito pueda presentar para las áreas adyacentes, además de una descripción, cuando corresponda, de los sistemas de instrumentación y control que se usarán para monitorear el comportamiento estructural e hidráulico del depósito. Asimismo, se debe determinar la distancia peligrosa3 y un manual de emergencias de control, mitigación, restauración y compensación de los efectos de accidentes, situaciones de emergencia y eventos naturales, según corresponda. Por otra parte, la Ley 20.551 que Regula el Cierre de Faenas e Instalaciones Mineras, establece que el Plan de Cierre debe contener las medidas y acciones destinadas a garantizar la estabilidad física y química de las instalaciones mineras, de manera de otorgar el debido resguardo a la vida, salud, seguridad de las personas y el medio ambiente. De acuerdo a esta Ley, la estabilidad física se define como la situación de seguridad estructural, que mejora la resistencia y disminuye las fuerzas desestabilizadoras que pueden afectar obras o depósitos de una faena minera, para la cual se utilizan medidas con el fin de evitar fenómenos de falla, colapso o remoción. La estabilidad física de los depósitos de relaves es una de las tareas más difíciles en la gestión de los residuos mineros masivos. De acuerdo a Azam & Li (2010) y basado en la revisión de un inventario de 18401 depósitos de relaves a nivel mundial, se estima que la tasa de accidentes en los últimos cien años es de un 1.2%. Esto es más de dos órdenes de magnitud mayor que la tasa de accidentes asociados a los embalses de abastecimiento de agua de 0,01% (ICOLD, 2001). Según Chambers (2014) esta diferencia refleja probablemente dos factores: (1) el uso de tipos de construcción de depósitos de relaves que son más susceptibles a fallas, y (2) el hecho de que los depósitos de relaves son construidos de manera secuencial a lo largo de varios años, por lo que el control de la calidad es más difícil. Como se ha mencionado anteriormente, la industria minera ha experimentado varias fallas de depósitos importantes en la historia reciente, entre los cuales los más relevantes son: Merriespruit (Sudáfrica), 1994; Omai (Guyana), 1994; Los Frailes (España), 1998; Baia Mare (Rumanía), 2000; Aitik (Suecia), 2000; Mount Polley (Canadá), 2014 y Mina Samarco (Brasil), 2015. De acuerdo al análisis desarrollado por Azam & Li (2010), las fallas en los depósitos de relaves se mantuvieron alrededor 2

Publicado en el Diario Oficial el 11 de abril de 2007. La distancia, en kilómetros, que recorrería el relave en el caso de colapso del depósito (DS N°248, Capítulo Segundo, Artículo 5. 3

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de 8 a 9 por década en los años 1940 y 1950, pero alcanzó su punto máximo a alrededor de 50 eventos por década durante los años 1960, 1970 y 1980 (Figura 3).

Figura 3. Número de fallas en depósitos de relave por década. Fuente: Azam & Li, 2010.

La alta tasa de fallas durante estas últimas décadas puede atribuirse a un aumento de la actividad minera inmediatamente después de la Segunda Guerra Mundial para hacer frente a la alta demanda mundial de metales, minerales y materias primas. Esta demanda se relaciona con la reconstrucción de posguerra en América del Norte y Europa y para el desarrollo inicial de los nuevos países independientes al final del colonialismo en Asia y África. Con la suficiente experiencia en ingeniería, la aplicación de criterios de seguridad más estrictas, y mejora de la tecnología de la construcción, las fallas se redujeron significativamente en la década de 1990 y se mantuvo en alrededor de 20 eventos por década en los años 1990 y 2000. De los 198 casos anteriores a 2000, la mayoría de los fracasos se produjeron en América del Norte (36%), Europa (26%) y América del Sur (19%). Por el contrario, los 20 casos posteriores a 2000 tuvieron lugar principalmente en Europa y Asia (Figura 4). A pesar de la alta actividad minera en América del Norte, América del Sur, África y Australia, la disminución de eventos de fallo en estas regiones durante la última década se atribuye a una práctica de la ingeniería mejorada.

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Figura 4. Distribución geográfica de fallas en depósitos de relave. Fuente: Azam & Li, 2010.

Debido al alarmante número de fallas de depósitos de relaves, la Comisión Internacional de Grandes Presas (ICOLD) convocó a varios estudios para investigar las fallas (ICOLD 2001). Según Chambers (2014) en los años transcurridos desde el informe ICOLD 2001, la tasa de fallas de los depósitos de relaves se ha mantenido en alrededor de un fallo cada ocho meses, o cerca de tres fracasos cada dos años. Una explicación podría ser los efectos residuales de los diseños anticuados y prácticas antiguas de construcción de los depósitos de relaves, pero a pesar de los importantes esfuerzos para investigar depósitos de relaves y el cambio en la construcción y de las prácticas operativas, la tasa de fallas de los depósitos de relaves se ha mantenido relativamente constante. A su vez, la investigación anterior indica que la mayoría de las fallas de depósitos de relaves ocurren en minas en operación. De acuerdo a ICOLD (2001) las tres causas principales de las fallas de los depósitos de relaves (eventos inesperados que ocurren a un depósito de relaves que representa una amenaza para la seguridad y el medio ambiente y requiere una respuesta rápida para evitar una rotura del depósito) son el overtopping, fallos en la estabilidad de los taludes y terremotos. Otros mecanismos de fallo a largo plazo para los depósitos de relaves incluyen daños acumulativos (por ejemplo, erosión interna del muro y múltiples eventos sísmicos), peligros geológicos (deslizamientos, etc.), licuefacción inducida por carga estática (la pérdida de fuerza en el material saturado debido al incremento de la presión del agua de poros sin relación con las fuerzas dinámicas), y los patrones cambiantes del clima. De acuerdo al análisis de Azam & Li (2010) las principales causas de las fallas de los depósitos de relaves posterior al año 2000 son condiciones inusuales climáticas (8 de 20 eventos) y problemas en la gestión y operación de los depósitos (6 de 20). Las fallas asociadas a condiciones climáticas inusuales aumentaron de 25% antes de 2000 y el 40% después de 2000 (Figura 5). Esto podría atribuirse a los recientes cambios en las condiciones climáticas, sobre todo en faenas mineras cerca del mar y/o situados en regiones ecuatoriales que han recibido altas precipitaciones. Como tales condiciones pueden aumentar en número y gravedad, el diseño de la presa en tales zonas debe incorporar el efecto del cambio climático. Del mismo modo, los fallos debidos a la mala gestión

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representaron el 10% y 30%, respectivamente, para los dos grupos de tiempo. Según Rico et al. (2007), la mala gestión incluye procedimientos inadecuados de construcción de presas, mantenimiento inadecuado de las estructuras de drenaje, y programas inadecuados de monitoreo a largo plazo.

Figura 5. Causas de fallas en depósitos de relave. Fuente: Azam & Li, 2010.

3.3

La estabilidad química en depósitos de relaves

De acuerdo a la Ley 20.551 que regula el cierre de faenas e instalaciones mineras, las empresas mineras deben asegurar que todas las instalaciones remanentes luego del cierre sean estables químicamente. Asimismo, establece que el plan de cierre de faenas mineras debe ser ejecutado por la empresa minera antes del término de sus operaciones, de manera tal que al cese de éstas se encuentren implementadas y creadas las condiciones de estabilidad física y química en el lugar que operó la faena4. De acuerdo a la Guía Metodológica para la Estabilidad Química de Faenas e Instalaciones Mineras (2015) del Servicio Nacional de Geología y Minería (en adelante, Sernageomin), se entenderá que una instalación minera es estable químicamente cuando, en su interacción con los factores

4

Artículo 2°, Título I, de la Ley 20.551 que Regula el Cierre de Faenas e Instalaciones Mineras.

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ambientales, no genera impactos que impliquen un riesgo significativo para la salud de las personas y/o el medio ambiente. En general, la estabilidad química de un depósito de relaves está relacionada con la generación de drenajes mineros5 y, por lo tanto, con el riesgo asociado a la cantidad y calidad de los mismos. Por una parte, la posibilidad de generación de drenajes mineros en este tipo de instalación está controlada por la mineralogía, la granulometría del material dispuesto (cuyo tamaño de partícula depende del proceso productivo), y por la disponibilidad de oxígeno, creando un sistema relativamente homogéneo (en comparación con otros tipos de residuos masivos mineros) con capacidad de reacción. La distribución granulométrica dentro de un depósito está controlada por procesos sedimentológicos que hacen que las partículas más gruesas se depositen en la zona próxima al punto de descarga del relave y las más finas conforme se alejan de ese punto. Tal es el caso de los sulfuros, los cuales por diferencia de densidad respecto de los silicatos, se depositan con el material más grueso (Dold, 2003). Esta segregación granulométrica influye en la permeabilidad del sistema, siendo mayor donde se acumulan los materiales de mayor tamaño (INAP, 2012). Asimismo, existen otros procesos que contribuyen a la generación de drenajes mineros, como el resquebrajamiento de la superficie de los relaves por efectos del calor, favoreciendo una oxidación profunda, o la oxidación de arenas en el muro del tranque de relaves. Durante la operación, los drenajes mineros se pueden asociar a infiltraciones desde el depósito o a derrames y otras descargas accidentales que pudieran ocurrir en el sistema, los que pueden afectar cursos de aguas superficiales o subterráneos, así como la calidad química del subsuelo, a través de la movilización de elementos y compuestos químicos agua abajo. Estas infiltraciones y aguas de contacto hoy no se encuentran regulados en Chile, salvo en la fase de cierre y post-cierre (Ley 20.551 nombrada anteriormente) y actualmente, las empresas mineras reportan la calidad de aguas subterráneas aguas abajo de sus depósitos de relave en función de normas de calidad de agua, como por ejemplo, la Norma Chilena de Requisitos de Calidad de Agua para Diferentes Usos (NCh 1333), el DS 46 que establece la norma de emisión de residuos líquidos a aguas subterráneas, o el DS 90 que establece la norma de emisión para la regulación de contaminantes asociados a las descargas de residuos líquidos a aguas marinas y continentales superficiales. En el caso de las Normas Secundarias de Calidad Ambiental (desarrolladas hoy para una limitada cantidad de cuencas en Chile), éstas pueden ser aplicadas a infiltraciones dependiendo de cada plan de prevención o descontaminación de cada cuenca. En general, las medidas que actualmente adoptan las empresas mineras para controlar y monitorear las infiltraciones desde depósitos de relaves corresponden a barreras hidráulicas, pozos de bombeo, drenes y pozos de monitoreo aguas abajo.

5

Se define como drenaje minero (DM) al efluente generado producto de la interacción entre las fuentes potencialmente generadoras y los factores ambientales (Guía Metodológica para la Estabilidad Química de Faenas e Instalaciones Mineras, 2015).

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4 4.1

Estado del Arte Estado de Arte Sistemas de Monitoreo

El término monitorización o monitoreo se utiliza para describir el procesamiento de señales capturadas por sensores, con fines de detección y diagnóstico de fallas o anomalías, entendiendo por falla o anomalía una desviación de algún indicador respecto a una condición normal. Consecuentemente, un Sistema de Monitorización estará integrado por un conjunto de componentes destinados a procesar señales provenientes de sensores, con el fin de detectar y diagnosticar situaciones operacionales fuera de lo normal. Dependiendo de la complejidad del procesamiento que se realice son los componentes que debe incorporarse y también el potencial de aplicación que el sistema posea. En su forma más simple, un sistema de monitoreo tiene cuatro funciones básicas: adquirir datos de los sensores, transmitir esos datos a un computador central, almacenar esos datos y desplegar la información en forma visual, gráfica o numérica, en pantallas. Un primer nivel de procesamiento considera filtrar el ruido que habitualmente incluyen las señales, con el fin de obtener una mejor visualización. En un segundo nivel de procesamiento se incluye también la obtención de predicciones que indican cómo las señales capturadas varían en tiempos futuros. A estas funciones se puede agregar la capacidad de comparar las señales presentes o futuras con rangos de variación predefinidos para, a partir de esta comparación, generar una señal de alarma cuando estos rangos estén siendo superados, o bien cuando se espera que ello ocurra a futuro, considerando las predicciones obtenidas. En todos estos casos los sistemas de monitoreo consideran sólo el procesamiento de señales, si bien variantes de estos sistemas incorporan el procesamiento de imágenes, o la transformación de señales e imágenes por ejemplo al dominio de la frecuencia. Las aplicaciones de sistemas de monitoreo con las características indicadas son numerosas, por ejemplo en la industria de procesos con el fin de evaluar en tiempo real indicadores de su desempeño (KPI) o detectar anticipadamente fallas en equipos. La gran mayoría de los sistemas de monitoreo desarrollados para la industria hacen uso de productos industriales estándar, como PLC (Programmable Logic Controllers) (Figura 6), sistemas SCADA (Supervisory Control and Data Adquisition) (Figura 7) y DCS (Distributed Control Systems), que comercializan las empresas proveedoras de equipos, sistemas y servicios de automatización. Entre las empresas que operan en Chile se encuentran ABB, Emerson, Honeywell, Rockwell, Schneider, Siemens y Yokogawa. A continuación se muestran dos arquitecturas que describen ejemplos de estos sistemas.

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Figura 6. PLC (Programmable Logic Controllers).

Figura 7. Sistema SCADA.

Las diferencias entre PLC, SCADA y DCS han ido disminuyendo en el tiempo, debido a las mayores funcionalidades que han ido adquiriendo. Un ejemplo difundido de SCADA de gran tamaño es el sistema instalado en Olympic Dam, algunas de cuyas características son: 441.257 variables, 20.445 tendencias históricas, 263 dispositivos de entradas/salidas, 40.000 señales analógicas de entrada/salida y 20.000 señales digitales de entrada/salida. En los últimos años se ha acuñado el término “monitorización inteligente” para hacer referencia a nuevas capacidades incorporadas en los sistemas de monitorización, por ejemplo la posibilidad de hacer uso de modelos estáticos o dinámicos, manejo estadístico (PCA, Principal Component Analysis), sistemas expertos, gestión de incertezas (lógica difusa), elementos no lineales (redes neuronales), simulaciones o algoritmos de optimización, que facilitan un procesamiento más sofisticado de la información, con el fin de obtener predicciones más precisas así como detecciones

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y diagnósticos más certeros. Muchas de estas herramientas son conocidas y se encuentran disponibles a bajo costo para uso académico y de investigación, por lo cual su incorporación en los sistemas de monitorización industrial es factible si se cuenta con experiencia en su uso. Estos mismos conceptos, de amplia aplicación en la industria, están actualmente siendo utilizados en otros ámbitos, por ejemplo en sistemas de alerta temprana (EWS, Early Warning Systems) de emergencias, ámbito en el cual inclusive se han desarrollado soluciones estandarizadas que pueden adecuarse a una aplicación concreta (Figura 8). También se han propuesto soluciones orientadas a alertas específicas, por ejemplo terremotos, tsunamis, deslizamientos, inundaciones y erupciones volcánicas. La Figura 9 muestra la arquitectura de un EWS de propósito específico que contempla cuatro subsistemas: el subsistema sensores, el subsistema comunicación, el subsistema procesamiento (el cual incluye un Decision Support System para gestionar la toma de decisiones, por ejemplo generación de alarmas) y un subsistema de diseminación de la información a la población.

Figura 8. Early Warning System de propósito general.

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Figura 9. Early Warning System de propósito específico.

Según Darby (2015), el monitoreo de la estructura de un tranque de relaves, junto con el diseño y la construcción, es crítico para mantener una estructura segura; asimismo indica que la instrumentación es necesaria para: evaluar el rendimiento comparado con las expectativas y el diseño, proveer alertas tempranas que pudieran afectar la integridad de la estructura, incrementar el conocimiento de cómo actúa la estructura, asistir en la investigación y diagnóstico de rendimientos anómalos, entender el comportamiento de los relaves en el corto y largo plazo y evaluar impactos ambientales (calidad del agua). Además, propone diferenciar los aportes de la instrumentación en 5 ámbitos: cuál es el comportamiento inicial de la estructura, cómo se comporta durante la construcción y la operación, como responde la estructura ante sismos y como se comportante los relaves durante la operación. En cada ámbito existe instrumentación específica que contribuye, para la cual, a su vez, propone responder las siguientes preguntas: ¿Qué debe ser medido? ¿Por qué necesita ser medido? ¿Cómo debe ser medido? ¿Dónde será medido? ¿Con qué frecuencia debe ser medido? ¿Cuánto costará el sistema de medición? También plantea que el tipo de sistema de medición dependerá del tipo de depósito y de la clasificación de riesgo de la estructura, y para su diseño propone considerar:      

Rango, resolución, precisión de la instrumentación; Condiciones climáticas y ambientales; Accesibilidad al emplazamiento; Facilidad de instalación; Protección antes y después de la construcción; Requerimientos de energía del sistema;

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 Confiabilidad del sistema. Asimismo, formula diversos requerimientos al sistema de medición:     

Toda la instrumentación debe ser organizada de forma que refleje variaciones en el tiempo y etapas de construcción; La interpretación de la información debe buscar correlaciones entre los parámetros que sean monitoreados, por ejemplo filtraciones con precipitaciones y niveles de laguna, y asentamientos con etapas de construcción; Un plan de monitoreo debe ser revisado periódicamente en base a la información recolectada o a las condiciones cambiantes de la estructura; El tipo, cantidad y niveles de sofisticación del sistema de monitoreo debe ser compatible con el tamaño de la estructura, su nivel de clasificación de riesgo y las etapas de construcción y operación; Los resultados de los modelos de filtraciones y deformación pueden (y deben) ser usados para identificar las áreas a instrumentar.

El trabajo de Darby, si bien es interesante y actual, adolece de la misma característica de otros estudios en este ámbito, en cuanto centra la problemática exclusivamente en las mediciones, sin entrar en los aspectos de procesamiento de la información. En este sentido, prácticamente todas las referencias al sistema de medición deberían aplicarse más bien al sistema de monitoreo. A diferencia de lo ya comentado, Thiebes (2012) hace una excelente revisión de decenas de EWS desarrollados para alarma o gestión de emergencias ante deslizamientos producidos por inundaciones u otros desastres naturales, destacando la necesaria integración ya señalada entre instrumentación, modelación y apoyo a la toma de decisiones. Análisis como este, en los que se incorporen las particularidades de la instrumentación y la modelación propuesta en este mismo Informe, son perfectamente aplicables al desarrollo de sistemas de monitoreo de estabilidad física y química en tranques de relaves. Zhou (2015) describe con cierto detalle unos 25 sistemas de monitoreo de tranques de relaves desarrollados en China, si bien en ciertas oportunidades las publicaciones que reproducen investigaciones realizadas en ese país se alejan un tanto de la realidad. Las Figuras 11 y 12 muestran los componentes de estos sistemas actuales y la relación entre indicadores que se monitorean y sensores utilizados. Un aspecto también valioso del estudio es la explicitación de un conjunto de deficiencias que se han detectado en estos sistemas, entre ellas:   

Técnicas de monitoreo pobres, bajo nivel de innovación tecnológica, datos insuficientes y monitoreo invasivo; Tecnología de monitoreo en línea derivadas de centrales hidroeléctricas, caracterizada por falta de precisión; investigación insuficiente y de poca profundidad en sistema de monitoreo de tranques; Prácticas de operación y mantenimiento inadecuadas, escasa estabilidad operacional y deficiencias en la integración y análisis de dato; falta de una política nacional sobre plataformas de monitoreo de relaves, información no compartida y normativas ineficientes.

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Evidentemente se justifica profundizar en estas deficiencias a fin de evitar que ellas también se hagan presentes en nuestro país.

Figura 10. Componentes de EWS desarrollados en China.

Figura 11. Indicadores y sensores.

4.2 4.2.1

Estado de Arte Instrumentación Equipos para el monitoreo de la estabilidad física

A nivel nacional, la Guía técnica de operación y control de depósitos de relaves del Sernageomin (2007) entrega recomendaciones de medidas de control operacional y de mantención en depósitos

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de relaves que deben tenerse presente principalmente por los operadores de la pequeña y mediana minería en el control operacional y mantención de los depósitos de relaves. A continuación se detallan aquellos que tienen relevancia para el monitoreo de estos depósitos: 

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Se deben realizar periódicamente controles de la densidad in-situ en el muro de arenas y determinar de la densidad relativa (las muestras se deben tomar a 1/3 y 2/3 de la altura total del muro). Controlar el nivel freático con piezómetros en el muro de arenas, comparar la cota que se obtiene de este nivel, con la cota del nivel del coronamiento del muro de partida impermeabilizado. El nivel freático debe ser más bajo que dicha cota, esto tiene gran relevancia especialmente en aquellos tranques que no cuentan con un buen sistema de drenaje en el muro de arenas. Cuando el nivel freático es alto, se debe proceder rápidamente a bajarlo, evacuando el agua clara de la laguna en la cubeta. Es importante además medir el nivel freático en algunos puntos aguas abajo del tranque y mantener una estadística gráfica con los datos obtenidos. Establecer un control periódico de la granulometría de las arenas de relave. Un aumento repentino y significativo del % de finos compromete las condiciones de seguridad de la obra (formación de bolsones saturados y superficies localizadas menos resistentes al corte). La exigencia actual del contenido de finos en las arenas de relave de los muros de contención en los tranques de relaves, es que debe estar constituida por no más de un 20% de partículas menores de 200 mallas (74 micrones). Se debe medir el % de sólidos en peso de la pulpa de relaves, el cual debe mantenerse en un rango no tan alto para que se permita un buen escurrimiento de esta pulpa por la tubería de transporte, evitando su embancamiento, y tampoco muy bajo para no saturar rápidamente de aguas la cubeta. (un rango bien aceptado en la práctica es entre 35% a 45%) Mantener una buena revancha con el fin de evitar posibles escurrimientos de agua a través del muro de arenas produciéndose así su erosión. Se deben verificar periódicamente el ángulo de talud operacional comprometido en el proyecto y el ancho del coronamiento del muro de arenas. Este último en la actualidad se exige como mínimo de 2 metros. Controlar periódicamente el nivel y posición de la laguna de aguas claras, la cual debe mantenerse siempre lo más alejada posible del muro de arenas en los casos de tranques de relaves, con el fin de evitar humectar demasiado el muro y que se sature de agua, trayendo el consecuente aumento de la presión de poros entre las partículas y el eventual colapso. Verificar en forma periódica el estado de las tuberías de conducción de los relaves y también las válvulas y bombas de impulsión de la pulpa de relaves. Además, se debe programar con antelación el traslado de las tuberías a las posiciones de descarga siguientes. Una medida importante a tener presente en la construcción en los muros de algunos tranque es la de evitar conformar esquinas en ángulo recto ya que constituyen uno de los puntos estructuralmente más débiles frente a las solicitaciones sísmicas, debido a bajo confinamiento. Es por ello aconsejable establecer uniones redondeadas. Es muy importante en un tranque de relaves en operación, mantener la práctica de compactar el talud exterior a lo largo del muro de arenas, usando equipos adecuados como por ejemplo rodillos lisos vibratorios, tractores o bulldozer pesados. Esto se hace con el fin de mantener una compactación adecuada del muro, ayudando así a una mejor estabilidad sísmica de la obra.

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

Durante la operación se deben reparar todas las fisuras o grietas que se pudieren producir, pues si no son cerradas dejan puntos débiles sobre los cuales al ser tapados con material de relaves, la compactación posterior no será eficiente en dichos sectores.

Por otra parte, el Decreto Supremo Nº 248, Reglamento para la aprobación de proyectos de diseño, construcción, operación y cierre de los depósitos de relaves del Ministerio de Minería, detalla en su Artículo 14 que el usuario deberá presentar al SERNAGEOMIN una solicitud de aprobación del proyecto de depósito de relaves que debe incluir según la letra n) y cuando corresponda, una descripción de los sistemas de instrumentación y control que se usarán para monitorear el comportamiento estructural, hidráulico del depósito, incluyendo las variables:       

Presiones de poros, Niveles freáticos, Desplazamientos, Asentamientos, Filtraciones, Aceleraciones sísmicas, y Otras recomendadas por el proyectista.

La Tabla a continuación presenta las variables que hoy en día se monitorean en depósitos de relave de Chile y el mundo y el método o tecnología asociada.

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Tabla 3. Métodos o tecnologías para la medición de parámetros relacionados a la estabilidad física de depósitos de relaves y su aplicación en Chile y el mundo.

Parámetro/variable

Métodos o tecnologías

En línea Si No

Precipitación Dirección del viento Velocidad del viento Radiación Solar Humedad del aire Temperatura del aire Temperatura del suelo Evaporación Desplazamiento vertical (interno y externo) Desplazamiento vertical Desplazamiento vertical Desplazamiento horizontal Desplazamiento horizontal Desplazamiento distancia inclinada Desplazamiento distancia inclinada Desplazamiento distancia inclinada Desplazamiento horizontal interno

Frecuencia usual

Se aplica hoy en Chile en los tranques de relaves

Se aplica hoy en Chile en otras instalaciones

Se aplica hoy en el mundo en tranques de relaves

Se aplica hoy en el mundo en otras instalaciones

Estación meteorológica Estación meteorológica Estación meteorológica Estación meteorológica Estación meteorológica Estación meteorológica Estación meteorológica Estación meteorológica Celdas de asentamiento (hidroniveles) Nivelación topográfica Estación total/ Topografía robotizada Estación total/ Topografía robotizada GPS

x x x x x x x x

1h 1h 1h 1h 1h 1h 1h 1h

Si Si Si Si Si Si Si Si

Si Si Si Si Si Si Si Si

Si Si Si Si Si Si Si Si

Si Si Si Si Si Si Si Si

x

1h

?

Si

Si

Si

1m

Si

Si

Si

Si

x

1h

Si

Si

Si

Si

x

1h

Si

Si

Si

Si

x

1h

?

?

Si

Si

Radar

x

10 min

Si

Si

Si

Si

Estación total/ Topografía robotizada

x

1h

Si

Si

Si

Si

x

INSAR Satelital

x

1 sem/1 mes

?

Si

Si

Si

Inclinómetro manual

x

1 mes

Si

Si

Si

Si

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Parámetro/variable

Métodos o tecnologías

En línea

Frecuencia usual

Se aplica hoy en Chile en los tranques de relaves

Se aplica hoy en Chile en otras instalaciones

Se aplica hoy en el mundo en tranques de relaves

Se aplica hoy en el mundo en otras instalaciones

1h

No

No

Si

Si

x

1h 1 mes 1h

No ? ?

Si Si Si

Si Si Si

Si Si Si

x

1 sem/1 mes

Si

Si

Si

Si

x

1h

Si

Si

Si

Si

x

1h

Si

Si

Si

Si

x

1h 1 año

Si ?

Si Si

Si Si

Si Si

x

1año

?

Si

Si

Si

1h

?

?

?

?

1 mes evento

? Si

? Si

? Si

? Si

Si No Desplazamiento horizontal interno Desplazamiento interno Desplazamiento interno Presión de tierras Presión de poro Presión de poro Presión de poro Flujo salida Fugas membranas Fugas membranas Convergencia túneles de evacuación Playa Sismo

Inclinómetro automático (SAA) Fibra óptica TDR Célula de presión Piezómetro abierto + pozómetro Piezómetro abierto + cuerda vibrante Piezómetro múltiple cuerda vibrante Caudalímetro Potencial Espontáneo (SP) Resistividad / Tomografía eléctrica Distanciómetro laser

x x x

x

x

Topografía, drones, satélites Acelerómetro x

x

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La Tabla a continuación presenta una breve descripción de algunos de los sensores o tecnologías utilizados en la medición de los parámetros de estabilidad física. Tabla 4. Sensores utilizados en depósitos de relaves.

Sensor Piezómetro de cuerda vibrante/ Presión de poros

Piezómetro de Presión de poros

fibra

óptica/

Inclinómetro/Desplazamiento horizontal

GPS / Desplazamiento superficial

InSar / Desplazamiento superficial Celdas de asentamiento/ Asentamientos Acelerógrafos/Aceleraciones sísmicas Piezómetro Casagrande/Nivel freático, filtraciones Medición de campos magnéticos (Hydrametric) / Niveles freáticos / Detecta las filtraciones Estación meteorológica/Viento (velocidad y dirección) (+ evaporación, temperatura, presión, pluviometría, material particulado, etc.) LevelCatchR/Nivel y temperatura del agua Analizador granulométrico/ calidad de las arenas Sensores para medir humedad, temperatura y oxígeno Densímetros nucleares. Densidad de las arenas del muro Cámara de televisión

Descripción Se emplean para medir presión de agua en suelos o rocas. Su principio de medición se basa en la resonancia. La elongación de la cuerda vibrante variará dependiendo de la presión externa a la que está siendo sometido el aparato. También se usan para medir presión intersticial de un fluido. Su principio de medición se basa en la deformación que se genera sobre un diafragma de acero. Su utiliza para determinar los desplazamientos del talud del muro del depósito de relaves a diferentes profundidades. Su principio se basa en las deformaciones que sufren los materiales ante las cargas laterales o gravitacionales. Sistema que determina la posición de objetos. El funcionamiento se basa en un receptor que recibe señales de una red de satélites, identificando su posición. Instrumento radiométrico. Utiliza imágenes (interferogramas) para generar datos sobre deformaciones superficiales Es un instrumento empleado para medir movimientos verticales. Estos equipos permiten medir y registrar la historia de aceleraciones durante un evento sísmico. Se utilizan para medir niveles freáticos, y son instalados en una perforación o terraplén. Se genera un campo magnético que permite detectar los niveles de agua en el interior del muro y en el subsuelo. Equipos que incorporan varios sistemas de medición, de los cuales el anemógrafo es útil para el monitoreo del viento. Otros sensores que pueden incorporar son termómetro, barógrafo, higrógrafo.

Sistema que genera datos en tiempo real sobre el nivel y temperatura del agua. Equipo útil para medir en línea el tamaño de las partículas. Existen varios principios de medición en el mercado: láser, ultrasónico, escaneo de imágenes. En el mercado existen varios sensores para monitorear humedad, temperatura y oxígeno en terreno y/o agua. En el mercado existen equipos portátiles. En minería son ampliamente usadas, para monitorear de forma visual y en tiempo real las operaciones.

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4.2.2

Equipos para el monitoreo de la estabilidad química

En el monitoreo de la estabilidad química en depósitos de relaves, se debe hacer la distinción de dos tipos de mediciones: (1) Mediciones en línea y en tiempo real de parámetros específicos, que pueden proveer una “alerta temprana” de la calidad del agua y que se miden por medio de una red de estaciones de monitoreo pero que en ningún caso cubren la calidad del agua en su totalidad de elementos y sustancias contaminantes; y (2) Mediciones analíticas periódicas (con respuestas en horas o días) y que complementa el monitoreo en línea. Sin embargo, cabe destacar que solamente un monitoreo en tiempo real entregará un cuadro de las variaciones en el tiempo de los parámetros a medir. La metodología instrumental y analítica de laboratorio (analizadores químicos), y sus respectivas normas de análisis son distintas o presentan modificaciones según el origen del agua, y en consecuencia de la calidad de las aguas. Por ejemplo, son distintas las metodologías analíticas empleadas para un agua potable respecto a los métodos analíticos aplicados para el agua de un tranque. Cabe destacar que los métodos analíticos se encuentran normados y descritos por la legislación chilena, (NCh 2725, NCh 2313/5, NCh 2313/6, NCh 2313/7, NCh 2313/9, NCh 2313/10, NCh 2313/11, NCh 2313/12, NCh 2313/14, NCh 2313/15, NCh 2313/16 y NCh 2313/17). A continuación se presentan los métodos y tipos de análisis existentes, que permiten establecer la calidad del agua. En relación al proyecto, se analiza la aplicabilidad de estos métodos a las aguas de depósitos de relaves de distintos origen (aguas claras, infiltraciones, agua superficial y subterránea en la cuenca donde está ubicado el depósito, etc.). Actualmente, dentro de las mediciones en línea y en tiempo real de parámetros físicos - químicos en agua se cuentan:      

pH ORP (Volts vs Ag/AgCl) Conductividad eléctrica Oxígeno disuelto Sólidos totales en suspensión (TSS) y Turbiedad (NTU) Temperatura

Por otra parte, en el caso de las mediciones analíticas periódicas por métodos químicos normados en laboratorios químicos especializados se incluyen el análisis químico y microbiológico de las aguas asociadas a los depósitos de relaves. Tal análisis químico de la calidad del agua se enfoca, en general, a la medición analítica cuantitativa normada de las siguientes trazas químicas y microbiológicas:  

Trazas inorgánicas: cianuro, cloruros, fluoruros, nitratos, nitritos, sulfatos, sulfuros, exigido en aguas para riego agrícola Nutrientes: nitrógeno total 35

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   



Metales relacionados con el índice de dureza del agua: calcio y magnesio Metales pesados: aluminio, cadmio, boro, cobre, cromo, hierro, manganeso, mercurio, molibdeno, níquel, plomo, selenio, zinc No metales: arsénico, (arseniatos y arsenitos), boro (boratos), selenio Trazas orgánicas: aceites, parafinas(hidrocarburos), benceno, polialcoholes, hidrocarburos clorados, tolueno, xileno Microorganismos: identificación y cuantificación (cell/ml) de microorganismos patógenos y microalgas

a. Métodos de Análisis de Parámetros Físicos - Químicos en línea y en tiempo real

A continuación se presenta un resumen del estado del arte relacionado con la instrumentación existente para el monitoreo en línea de los parámetros indicados, así como de los métodos de laboratorio más comúnmente utilizados. El análisis de estado del arte completo se presenta en el Anexo 2 del presente Informe. 

pH y potencial electroquímico ORP (Eh): La instrumentación en línea de estos dos parámetros para mediciones on line está constituida por un equipo digital provisto de electrodos robustos y batería de alta performance tal que permite medir la acidez-basicidad (rango pH 0 a 14 y ORP -2 a +2 V vs ENH), y el estado del grado de oxidación o reducción del agua en tiempo real y eventualmente a distintas profundidades del depósito o en acuíferos en general. Tal instrumentación la ofrecen diversas compañías especializadas tales como HACH (http://es.hach.com), Emerson Process Management (http://www.emerson.com), Mettler Toledo (http://cl.mt.com), Global Water (http://www.globalw.com), Schlumberger (http://www.slb.com), entre otras. Las mediciones digitales son conectadas a sistemas de comunicación estandarizadas definiendo la dirección de las mediciones (Wi-fi, GSM, 3G, 4G, Ethernet, satélite, etc.). Es necesario destacar que, en el caso del agua del depósito de relave, su calidad caracterizada por altas concentraciones de iones de calcio, magnesio y silicatos soluble, además de coloides y nanopartículas cargadas eléctricamente, puede afectar de manera perjudicial a estos sensores.



Conductividad Eléctrica: Las mediciones de conductividad son útiles como una medida general de la calidad del agua. Cada acuífero de la cuenca donde esté instalado el depósito de relave presenta su propio rango de conductividad estableciéndose entonces una línea base de comparación y detección del potencial impacto de infiltraciones hacia la cuenca, o bien de la influencia de drenajes de rocas naturales vecinas al depósito. Por lo tanto, una exacta medición de la conductividad de las aguas del depósito de relave y, paralelamente, disponer de la información monitoreada de los acuíferos vecinos es de alta importancia. Por ejemplo, variaciones estacionales, eventos meteorológicos y provocados (derrames y descargas de otros efluentes mineros en el depósito) inusuales, etc., podrían hacer variar notoriamente los parámetros de pH, ORP y conductividad de los acuíferos vecinos, y aún más, el agua de pozo, aguas de regadío y agua potables de comunidades vecinas. Un

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ejemplo de integración de monitoreo de este y otros parámetros, que definen la calidad del agua influenciada por drenajes de mina o depósitos de relave mediante monitoreo digital en tiempo real, es el CastAway-CTD measuring device (SonTek Inc), que se describe en el trabajo de Räsänen et al. (2015). En general, para aguas superficiales se requiere de sensores que midan en el rango de 0 a 2000 µS/cm. Para agua que proviene de depósitos de relave podría considerase hasta 12000 µS/cm, entendiendo que en Chile existen depósitos que superan la concentración de NaCl, Ca y Mg del agua de mar. Para este caso las aprehensiones son las mismas: la medición continua on line y en tiempo real de la conductividad del agua de depósitos requiere de mantención continua y calibración de sensores y componentes eléctricos y electrónicos por efecto de incrustaciones y depósitos sobre la membrana o elementos del sensor en contacto con aguas claras. Esto es de especial importancia y requiere un desarrollo tecnológico mayor para las mediciones de aguas del depósito de relave y se podría considerar como un futuro desarrollo tecnológico. 

Oxígeno Disuelto: En este parámetro se dispone de varios tipos de mediciones de oxígeno disuelto según sea el acuífero a medir y por su importancia en relación a la calidad elegida. La Demanda Química de Oxigeno (Chemical Oxigen Demand, COD) corresponde a la medición del contenido de oxígeno equivalente al contenido de material orgánico de una muestra del agua que es susceptible de ser oxidada por un oxidante fuerte. Este parámetro no puede ser medido en tiempo real y requiere analizadores químicos específicos. Para mediciones del COD de aguas claras con mayor precisión se requiere de analizadores químicos específicos (cromatógrafos, analizadores colorimétricos, analizadores termocombustión) lo cual requiere un largo tiempo de respuesta además de una calibración para el tipo de agua que se está investigando. La Demanda de Oxígeno Biológico (Biological Oxigen Demand, BOD) corresponde a la demanda de oxígeno que requiere la degradación de materia orgánica contenida en la muestra de agua. La determinación del BOD se encuentra estandarizada, y requiere cinco días de la descomposición orgánica por bacterias oxidantes, por lo cual es imposible aplicar una medición en línea en tiempo real de este parámetro. Considerando que las mediciones COD y BOD no pueden ser monitoreadas on line y en tiempo real, se aplica la medición de TOD (Total Oxygen Demand), que para este caso es más importante ante la posible contaminación de acuíferos vecinos a los depósitos de relave con derivados orgánicos provenientes de la flotación, aditivos floculantes, aceites y en general material orgánico descargado en el depósito por razones eventuales. Para aguas superficiales y subterráneas, en general, es posible aplicar electrodos específicos con membranas y sensores digitales específicos, tal como lo describe Räsanen et al (2015). Sin embargo, para aguas claras es imposible encontrar un electrodo que resista la alta concentración de sales incrustantes y partículas en suspensión cargadas eléctricamente que se depositan en los elementos del sensor en contacto con este tipo de aguas. Sin embargo,

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

recientemente se ofrece al mercado un equipo que puede monitorear en línea el parámetro TOD basado en la combustión de la muestra, quasi-on line (Genthe and Pliner, 2015). El desafío en este caso es validar este u otro método para aguas claras de relave y aguas de la cuenca del tranque en estudio. Sólidos Totales en Suspensión (TSS) y Turbidez (NTU): La medición de sólidos en suspensión en una muestra de agua está relacionada con la medición de turbidez mediante el método nefelométrico estándar que se aplica generalmente en el monitoreo en línea de cuerpos de agua, (www.fondriest.com/environmental measurements). En relación a la medición en línea, se emplean sensores ópticos digitales autolimpiantes basados en la nefelometría de suspensiones existiendo una amplia gama de sensores aplicables a todo tipo de suspensiones, implementados con ultrasonido como sistema autolimpiante. La unidad del parámetro TSS es mg/L. El método preciso de medición directa requiere de un tiempo largo de medición en laboratorios especializados. Microfiltración, secado y pesado de muestra es la manera de medir este parámetro con precisión y que define la calidad del agua en términos de su claridad y transporte de sólidos en suspensión. Este método es especialmente normado (ISO, ASTM, etc.) por las dificultades de filtración de la muestra de agua y la precisión requerida, además por los errores potenciales debido a la calidad y pesaje del filtro de microfibras. En relación al equipamiento para una medición en línea y en tiempo real de la turbidez e indirectamente el valor aproximado de TSS para aguas relativamente claras, el mercado tecnológico ofrece una amplia variedad de equipamiento para la medición por light scattering. Por ejemplo, se recomienda un sensor o sonda con alta resolución y preferido en el mercado: el YSI EX02, además del NexSens CB-450 de alta durabilidad, provisto de una celda solar fotovoltaica que provee la energía para el funcionamiento del equipo, con un peso total de la plataforma flotante de 450 lbs (Figura 12). Además, estos equipos están provistos de comunicación digital de los datos recogidos a cualquier computador en línea, disponiendo de alarmas sobre el funcionamiento frente al deterioro de los sensores u otros eventos. El desafío en este sentido es validar esta tecnología en depósitos de relave donde la agresividad de las aguas respecto a los elementos sensores significa un factor crítico a resolver. La ventaja de aplicar este tipo de medición en línea y en tiempo real en varias estaciones de monitoreo existentes tanto en el depósitos de relaves como en los acuíferos existentes en la cuenca correspondiente, es la de disponer de la información temprana de las variaciones de turbidez y TSS frente a un fenómeno estacional (fuertes lluvias y eventos de descargas incontroladas aguas arriba), tal como lo muestra un ejemplo en la Figura 13.

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Figura 12. Equipo de monitoreo de medición on line en tiempo real de la turbidez (NTU) de un cuerpo de agua. Fuente: www.fondriest.com/environmental measurements.

Figura 13. Mediciones de turbidez (NTU) monitoreado en tiempo real y TSS aproximado o equivalente, en un cuerpo de agua que recibe descargas periódicas de un efluente con remoción de sedimento. Fuente: www.fondriest.com/environmental measurements.

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

Temperatura: el impacto de este parámetro dentro del depósito de relaves y en la profundidad del mismo, tiene un significado en la química y física del agua en éste. Distintos fenómenos de lixiviación de partículas de mineral y arcillas suspendidas contenidas en el depósito del relave dependen en gran parte de la temperatura del depósito. La instalación de un sistema de monitoreo de temperatura on-line, en tiempo real, o en intervalos de tiempo programados, puede llegar a ser una herramienta predictiva o de alerta, por ejemplo, de fenómenos de liberación de contaminantes en mayor escala o alteración del pH, por ejemplo, por lixiviación mayor de azufre y sulfuros. Este sistema debe incorporar un sistema de medición de los distintos estratos del tranque en profundidad mediante una cinta termistor. Por lo cual, distintas plataformas flotantes que contienen instrumentos tales como termosensores, data loggers, celdas fotovoltaicas, trasmisores, etc., pueden ser distribuidas en el tranque permitiendo mediciones en tiempo real. Además, la implementación de un data logger e instrumentos de telemetría permitirían aplicar un sistema de alerta. Por otra parte, la temperatura estratificada en el tranque de relave o en cualquier acuífero afecta fenómenos de tasas de sedimentación, aglomeración o disrupción de partículas aglomeradas tal que los parámetros de TSS, turbidez (NTU), TOD, son afectados por la temperatura de las aguas y son variables en cuanto a la profundidad que se mida.

La Tabla a continuación presenta un resumen rangos y principios de medición de los parámetros físico-químicos en aguas. Tabla 5. Parámetros, rangos y principios de medición de la calidad de agua. Fuente: Environmental Institute, 2014.

Parámetro de calidad del agua Temperatura pH Oxígeno disuelto Conductividad Turbidez

Unidad de medida C° mg/l µS/cm NTU

Rango de medición 0-50 0-14 0-20 0-2000 0-500

Principio de operación Digital, análogo Potenciométrico Voltimetría Conductometría Óptico

A modo de conclusión en relación a la instrumentación para el monitoreo on-line y en tiempo real de parámetros físicos-químicos, es posible decir que en la red de monitoreo de los acuíferos existentes en la cuenca de los depósito y de los depósito mismo, es necesario definir los sensores digitales requeridos para medir los parámetros físicos y químicos que definen la calidad del agua del depósito y de las aguas superficiales y subterráneas de la cuenca. Por sobre todo, se debe poner especial atención a la calidad y la resistencia de los sensores respecto a las incrustaciones y depósitos que afectan la sensibilidad del electrodo o sensor. Por otra parte, para lograr mayor precisión que la que ofrecen los métodos on-line, es necesario recurrir a analizadores químicos que ofrece el mercado (laboratorios) los cuales cuentan con la

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metodología analítica normada, (bajo ISO, ASTM, NCh, etc.). Sin embargo, el tiempo de respuesta es mayor y mayores también son los costos. Es el caso de análisis de TOD, COD y BOD.

b. Mediciones analíticas periódicas de trazas inorgánicas, orgánicas y microbiológicas

En relación a los métodos analíticos de trazas inorgánicas, orgánicas y microbiológicas de aguas relacionadas a depósitos de relaves y sus alrededores, se distinguen entre aquellos que se realizan a través de un monitoreo en línea y tiempo real, y aquellos que obligatoriamente son evaluados en analizadores químicos que aplican una metodología normada. Monitoreo en línea y en tiempo real: a diferencia de la medición periódica y en un analizador químico (laboratorio especializado), solamente un monitoreo en tiempo real entrega un cuadro de las variaciones en el tiempo de los parámetros a medir, y en este caso, de los analitos objetivos que se consideran en el programa de monitoreo. Las trazas inorgánicas que conciernen el monitoreo de depósitos de relaves se refieren a los siguientes analitos objetivos: -Metales pesados: Cu, Zn, Mn, Ni, Mo, Cr, Sb, Bi, Mo, Pb, Cd, Hg -Metaloides: As, Se, B -Metales relacionados con aguas duras: Mg, Ca, Na, K, Si -Aniones contaminantes: cloruro, sulfatos, fluoruro, boratos, nitratos y nitritos El desarrollo actual de electrodos específicos no permite un monitoreo en línea y en tiempo real de todos estos analitos. Solamente alguna trazas inorgánicas y orgánicas pueden ser monitoreadas con exactitud por sensores específicos para aguas potables, y aguas de menor carga iónica antes de su potabilización. La Figura 14 muestra estos sensores emergentes, que para mediciones de aguas claras no son operables, por la alta fuerza iónica y sólidos en suspensión en este tipo de agua, que provocan efectos de incrustaciones y depósitos de partículas en los elementos principales de estos sensores; aun provistos con sistema autolimpiante. Esto implica el desafío de desarrollar e incorporar nuevas tecnologías de sensores para aguas de alta salinidad y alto TSS y NTU.

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Figura 14. Sensores (electrodos) digitales con acoplamiento inductivo para análisis de parámetros y analitos en aguas claras y agua potable.

La Tabla 6 muestra las características de estos electrodos específicos de última generación aplicables para agua potable o de baja carga iónica, que permiten realizar mediciones en línea. Tabla 6. Parámetros, rangos y principios de medición de la calidad de agua. Fuente: Environmental Institute, 2014.

Parámetro de calidad del agua Amonio TOC (Carbono orgánico total) Aceite superficial Clorofila-A Analizador de metales pesados (cadmio, plomo, cobre) Nitrato Cianuro

Unidad de medida

Rango de medición

Principio de operación

mg/l

0-10

Fotometría

mg/l

0-20

Oxidación UV acelerada

µg/l

0,1-töl

Óptico Fluorometría

µg/l

0-5000

Polarografía

mg/l mg/l

0-10 0-2

Fotometría Polarografía

El mercado tecnológico actualmente ofrece instrumentos y sensores portables que pueden medir trazas de metales pesados y metaloides, sobre todo de aquellos metales contaminantes que se presentan en muy bajas concentraciones (Cu, Zn, Cr y As) en aguas superficiales y subterráneas. La mayoría de ellos operan bajo un concepto electroquímico de medición (voltametría, impedancia). Estos sensores presentan una alta sensibilidad (5 a 500 ppb), operan en un amplio rango de temperatura (-20 a +50 ° C) y el tiempo de adquisición de la respuesta es de algunos minutos. Como se estableció anteriormente, a la fecha presentan la desventaja que no se ha logrado una automatización de estos sensores que permita un monitoreo en línea y en tiempo real. El punto débil es la mantención de una respuesta que se encuentre en la línea de calibración. La depositación de micropartículas y la alta salinidad del agua desplazan los puntos de medición fuera de la línea de calibración entregando respuestas erróneas, (Román, 2015). 42

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Las trazas orgánicas corresponden, por ejemplo, a aquellas derivadas de la degradación de aditivos orgánicos que se emplean en el procesamiento de minerales “aguas arriba” respecto al tranque de relave y que se listan a continuación: -Aceites, hidrocarburos -Hidrocarburos aromáticos: benceno, tolueno -Hidrocarburos clorados -Polialcoholes Considerando que existe un proceso de degradación acelerada de estas potenciales trazas orgánicas (oxidación catalítica por metales y el oxígeno del aire, más oxidación bacteriana) en el depósito de relave (Román, 2015), la metodología analítica a aplicar no solamente debe enfocar el análisis químico a estas trazas sino también a la “cadena de degradación” del aditivo específico que se agrega “aguas arriba”. Dada esta complejidad, a la fecha, tampoco es posible aplicar sensores que permitan monitorear en línea y en tiempo real tales trazas orgánicas y su cadena de degradación que identifica derivados oxidados de estas trazas orgánicas. Por lo cual, deben tomarse muestras periódicas y enviarlas a laboratorios químicos especializados que cuentan con analizadores químicos y metodologías normadas (ISO, ASTM, NCh, etc.) para estas trazas orgánicas. Analizadores químicos: en la imposibilidad de monitorear en línea y en tiempo real todos los analitos presentes en aguas tanto de depósitos de relave como acuíferos vecinos de la cuenca, se hace necesario llevar a cabo un seguimiento periódico de las trazas de mayor impacto. Este seguimiento se consigue a través de un programa de toma de muestra (bajo normas establecidas) y envío a laboratorios certificados que dispongan la instrumentación o analizador químico bajo operación normada (ISO, ASTM, NCh). Los métodos analíticos (analizadores químicos) que normalmente se emplean para analizar analitos tanto de naturaleza inorgánica como trazas orgánicas de distintos tipos de aguas son los siguientes (detalles de cada método se presentan en el Anexo 2):

    

4.3

Método colorimétrico Espectrometría de Absorción Atómica (AA) ICP-Masa (Inductively Coupled Plasma-Mass Spectrometry) Titulación complexométrica Métodos electrométricos (electrodo específico, polarografía, voltametría cíclica, potenciometría y titulación electrogravimétrica)

Estado de Arte Modelación

A continuación se presenta el estado del arte respecto de los modelos y softwares utilizados para la modelación de la estabilidad física y química, que pueden ser aplicables a depósitos de relaves.

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4.3.1

Modelos de estabilidad física

En el presente estado de arte de los modelos de estabilidad física, se incluyen modelos constitutivos y software para análisis. a. Modelos constitutivos

Se llama modelo constitutivo a una formulación matemática capaz de describir el funcionamiento físico macroscópico de un “sólido ideal”, que resulta luego de aplicar hipótesis simplificativas sobre el mismo. En este caso, a continuación se describe el modelo UBCSAND, modelo de comportamiento idóneo para un depósito de relaves, que se puede implementar con otros modelos numéricos. UBCSAND model: Modelo utilizado para simular la respuesta del depósito de relaves frente a una carga sísmica. El modelo constitutivo UBCSAND (Beaty and Byrne, 2011) es un modelo avanzado de estrés – plasticidad para el uso en análisis de estrés – deformación de estructuras geotécnicas. El modelo fue principalmente desarrollado para suelos del tipo arenosos que tienen potencial para licuefacción bajo carga sísmica (por ejemplo arenas y arenas limosas con una densidad relativa menor que un 80%). El modelo predice el comportamiento del cizalle del suelo, usando una relación hiperbólica asumida y la respuesta volumétrica asociada al esqueleto del suelo usando una regla de flujo que es función de la razón actual entre el estrés y la falla. El modelo puede ser usado de una manera completamente acoplada donde la mecánica y los cálculos de flujo de agua subterránea son realizados simultáneamente.

b. Software para análisis

Dentro de los softwares para análisis de estabilidad física se encuentra el FLAC Model y el RS2 Model. FLAC Model: (Fast Lagrangian Analysis of Continua) es un poderoso programa de modelamiento en dos dimensiones continuo, para suelos, rocas y comportamiento estructural. Entrega un análisis dinámico 2D de un tranque de relave, utilizando un modelo avanzado de estrés – plasticidad (UBCSAND) con datos empíricos (http://www.itascacg.com/software/flac). Usado interactivamente o en modo batch, es una herramienta de diseño y análisis general que puede ser aplicada a una amplia variedad de problemas en estudios de ingeniería. El método de diferencia finitas explícito utilizado por FLAC, lo hace idealmente apropiado para modelar problemas geomecánicos que consisten en varias etapas, tales como excavaciones secuenciales, rellenos y cargas de diversa naturaleza. El método puede aceptar grandes desplazamientos, deformaciones y comportamiento no lineal del material, aun cuando la falla abarque una gran área. El programa trae incorporado el lenguaje de programación FISH, que permite agregar capacidades de análisis y procesamiento de los modelos acorde con los requerimientos específicos de los diversos usuarios.

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RS2 (Rock sciences): Es un programa de elementos finitos 2D para aplicaciones de suelos y rocas (RS2 = Programa de análisis de dos dimensiones roca y suelo) (https://www.rocscience.com/rocscience/products/rs2). El RS2 se puede utilizar para una amplia gama de proyectos de ingeniería e incluye diseño de excavación, estabilidad de taludes, infiltración de aguas subterráneas, análisis probabilístico, consolidación y capacidades de análisis dinámicos. Modelos multietapas complejos, pueden ser creados y rápidamente analizados - túneles en roca débil o roca fracturada, cavernas subterráneas, minas y pendientes a rajo abierto, terraplenes, estructuras de tierra estabilizadas MSE y mucho más. Pueden ser abordadas fallas progresivas, la interacción de soporte y una variedad de otros problemas. Una de las principales características de RS2 es el análisis de estabilidad de taludes mediante elementos finitos usando el método de reducción de resistencia al cizallamiento. Esta opción es totalmente automatizada y se puede utilizar con cualquiera de los parámetros de fuerza Mohr –Coulomb o Hoek-Brown. Modelos de pendiente pueden ser importados o exportados entre Slide y RS2, permitiendo comparación fácil del equilibrio límite y los resultados de elementos finitos.

4.3.2

Modelos de estabilidad química

En relación a la estabilidad química es necesario definir dos ámbitos. Por una parte, se encuentran las infiltraciones provenientes de depósitos de relaves y que pueden llegar a significar un riesgo, dependiendo de la cantidad y calidad de las mismas, entre otros parámetros, para la salud de las personas y el medio ambiente. Y, por otra parte, es posible evaluar la estabilidad química de los materiales que componen un depósito de relaves, lo que tiene principalmente objetivos predictivos. Es decir, conocer la cantidad y calidad del drenaje que se generaría al estar en contacto éstos materiales con el agua y el oxígeno, principalmente. En cuanto a las infiltraciones provenientes de depósitos de relaves, el año 2011, Brixel y Cadwell (2011) presentaron un trabajo que recopilaba el estado del arte publicado a lo largo de 30 años en las conferencias Tailings y Mine Waste. Este artículo compila de forma ordenada y concisa la evolución y desarrollo en el marco del estudio de infiltraciones. De acuerdo a este estado de arte, los fenómenos que conceptualmente se incorporan, o deben incorporarse en los modelos de estos fenómenos corresponden a los siguientes:    

Pérdidas por infiltración durante la operación de depositación de relaves. Pérdidas por evaporación. Humectación y pérdidas de agua por retención en arenas y lamas. Precipitaciones.

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A su vez, de acuerdo a JRI Ingeniería (2015), las bases fisicoquímicas asociadas al fenómeno de infiltración, y por ende, las ecuaciones que gobiernan en la modelación, provienen de fundamentos o leyes tales como:  Conservación de la materia.  Distribución de canalículos (porosidad).  Ley de Darcy (lineal y no lineal).  Permeabilidad.  Saturación.  Concentración o densidad. Entre los modelos matemáticos que se pueden citar, destacan:    

Ecuación de Laplace para el potencial hidráulico subterráneo – Soluciones analíticas -Redes de flujo Ecuaciones para pozos (Dupuit, siglo XIX – Muskat, siglo XX) Ecuación de Richards para flujos en medio porosos. Modelos para la permeabilidad  Escalar unidimensional – lineal y no lineal Schlichter (c. 1900), Forchheimer (c.1930), Pérez Franco (c.1970)  Escalar bidimensional (Irmay, Israel, 1955); Cruickshank , México, 1970  Tensorial (c 1970)  Determinístico; aleatorio  Fracturado (c 1980)

La teoría y literatura, asociada a los fundamentos fisicoquímicos de transporte de fluidos en medios permeables o porosos, es extensa y bien documentada. Desde la década de los 70’, el desafío ha estado en programar estas ecuaciones mediante un algoritmo computacional y generar soluciones numéricas, por ejemplo, mediante el método de elementos finitos. Actualmente, existen programas computacionales, que incorporan modelos matemáticos y métodos numéricos para resolver las ecuaciones, útiles para ser aplicados en la modelación y simulación de infiltraciones en depósitos de relaves, como por ejemplo Modflow Surfact (http://www.waterloohydrogeologic.com) y SEEP/W (http://www.geo-slope.com/products/seepw.aspx). Asimismo, existen diferentes modelos que permiten evaluar y predecir la estabilidad química de los materiales geológicos o de los materiales que componen los depósitos de relaves. De acuerdo a esto, se pueden distinguir distintos tipos de modelos, los modelos hidrológicos e hidrogeológicos y los modelos geoquímicos. Estos últimos pueden ayudar a:   

Entender la interacción entre el depósito de relaves y el agua que entra en contacto con éste. Predecir la calidad y cantidad de drenaje minero producido. Evaluar escenarios futuros con enfoque en la gestión integral del depósito de relaves.

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

Entender la química del drenaje, por ejemplo, la especiación de elementos químicos, la precipitación o disolución de los productos de reacción, y los límites de solubilidad de los minerales, entre otros.

Actualmente, la utilización de modelos se considera como una de las herramientas más fiables y sofisticadas para predecir la generación de drenajes mineros y la calidad de los mismos. Cabe destacar que en el caso de la predicción de la calidad de los drenajes mineros asociados, los modelos geoquímicos pueden utilizar como datos de entrada los resultados de test de predicción estáticos o cinéticos realizados en laboratorios y en campo sobre el material sólido de interés. Por lo tanto, su utilidad está sujeta a la cantidad y calidad de información que se disponga del sitio, ya que necesita alimentarse de una caracterización lo más completa posible. Por otra parte, es importante mencionar que las predicciones obtenidas a través de modelos deben siempre ser validadas con datos de campo antes de ser aceptadas y utilizadas en la toma de decisiones en relación a la gestión de la estabilidad química (Maest et al., 2005). La complejidad y sofisticación del modelo a utilizar dependerá del tipo de preguntas que se quieran responder. Así, para preguntas de orden cualitativo (sí o no) basta con emplear modelos simples donde no se requiere un entendimiento acabado del sistema. En cambio, cuando se requiere hacer una predicción de tipo cuantitativa, es necesario utilizar modelos mucho más complejos, donde pasa a ser muy importante la conceptualización detallada del sistema a modelar (INAP, 2012) y el conocimiento de códigos avanzados de modelación. A continuación se detallan algunos de los modelos disponibles. Se mencionan las categorías y subcategorías de los códigos más utilizados, los parámetros de entrada requeridos y los procesos que son modelados (resultados del modelo).

a. Modelos hidrológicos e hidrogeológicos

Gran parte de la comunidad científica diferencia los modelos hidrológicos para referirse al modelamiento de aguas superficiales y los modelos hidrogeológicos para sistemas de aguas subterráneas. Los modelos hidrológicos incluyen el destino, transporte y las potenciales descargas o infiltraciones del drenaje minero a través de un sistema de aguas superficiales, así como la estimación de la calidad del agua en relaves. Los modelos para zona no saturada y aguas subterráneas en cambio, abordan el flujo de agua y el transporte de contaminantes bajo la superficie. Además de los modelos mencionados, existe también un tipo de mayor complejidad denominado modelamiento dinámico que incorpora códigos hidrológicos, geoquímicos, económicos y de otros tipos. Este tipo de modelo permite evaluar el cambio de un sistema en el tiempo, sistemas oscilantes y sistemas con circuitos de retroalimentación. Los más utilizados para el modelamiento hídrico, balance hídrico y calidad de agua son GoldSim (www.goldsim.com) y Stella (www.iseesystems.com). Sin embargo, debido a que pueden llegar a ser muy complejos y que no existe una forma estándar para ensamblar un modelo dinámico, puede resultar difícil su evaluación y réplica. La tabla a

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continuación resume los principales modelos hidrológicos e hidrogeológicos que se utilizan en la predicción del drenaje minero.

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Tabla 7. Códigos hidrológicos e hidrogeológicos utilizados para la predicción del drenaje minero.

Categoría del código Códigos hidrológicos para procesos cercanos a la superficie

Códigos zona no saturada

Subcategoría

Códigos disponibles

Balance hídrico (infiltración, escorrentía, evapotranspiración)

HELP (Schroeder et al.,1994a, b); SOILCOVER (MEND 1994) CASC2D; CUHP; CUHP/SWMM; DR3M; HEC-HMS (US ACOE 2000); PRMS; PSRM; SWMM; TR20.

Balance hídrico (infiltración, escorrentía, evapotranspiración) y transporte de contaminantes Percolación en zona no saturada

SESOIL (Bonazountas and Wagner, 1981, 1984); PRZM 3 (Versión 3, Carsel et al., 1984; U.S. EPA, 2003a); HSPF(Bicknell et al., 1997); LEACHM (Wagenety Hudson, 1987).

Percolación en zona no saturada y transporte de contaminantes

Códigos 1D: SESOIL; HELP; CHEMFLO2000 (U.S. EPA, 2003b); Hydrus-1D (U.S.Salinity Lab; Simonek et al., 1998); SWACROP (IGWMC); SWIM HEAPCOV (Sulphide Solutions); Unsat-1 (IGWMC); Unsat-H (Pacific Northwest Laboratory); 2D codes: Hydrus-2D (U.S. Salinity Lab); FEFLOW (Waterloo Hydrogeologic); SEEP/W (Geo-slopeIntl., 1994); SUTRA (USGS); VS2D (Lappala et al. 1987; Healy, 1990; USGS). SUTRA (USGS); VS2D/T (USGS, Lappala et al., 1987; Healy, 1990); FEFLOW (Waterloo Hydrogeologic).

Entradas necesarias (inputs)

Procesos modelados/resultados

Precipitación, temperatura, velocidad del viento, radiación solar incidente, cubierta vegetal (evapotranspiración) (los datos climáticos pueden ser estimados utilizando WGEN), conductividad/permeabilidad hidráulica del suelo/material geológico, capacidad de retención de humedad del suelo y propiedades de transmisión. Entradas necesarias para un balance hídrico, concentraciones y cargas de fuente, concentraciones iniciales en suelo, destino/transporte de contaminantes (por ejemplo, adsorción o precipitación).

Contribución de precipitación en escorrentía, evapotranspiración e infiltración, estimación de la escorrentía, infiltración, tasas de evaporación en o a través de instalaciones/cubiertas mineras, estimación de precipitaciones que caen en lagunas de aguas claras.

Tasas de infiltración, estratificación o heterogeneidad en materiales geológicos, propiedades hidráulicas del suelo/unidades geológicas: tales como capacidad de retención de humedades (medidas o modeladas).

Filtración a través de porciones insaturadas de instalaciones mineras (por ejemplo, botaderos) y de zona no saturada subyacente.

Ídem anterior más calidad de agua entrante en zona no saturada y concentraciones iniciales de los constituyentes en zona no

Ídem anterior más transporte de contaminantes.

Cantidad y calidad de infiltración y escorrentía en, desde y hacia las instalaciones mineras.

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Categoría del código

Códigos agua subterránea

Códigos integrados hidrológicos/ cuenca

Subcategoría

Códigos disponibles

Flujo

MODFLOW (McDonald and Harbaugh, 1988; Harbaugh and McDonald, 1996; MODFLOW 2000); FEFLOW (Waterloo Hydrogeologic).

Flujo y transporte de contaminantes

MODFLOW con MT3D; MODFLOW SURFACT; SUTRA (USGS); FEFLOW (Waterloo Hydrogeologic); FEMWATER (U.S. EPA). Flujo de agua subterránea y transporte de soluto en roca fracturada: FRAC3DVS y FRACTRAN (Waterloo Hydrogeologic); TRAFRAP-WT (IGWMC). MIKE SHE (Instituto Británico de Hidrología, Instituto Danés de Hidráulica); PRMS/MMS (Leavesley et al., 1981; 1983; USGS); HSPF (Bicknell et al., 1997; U.S. EPA).

Entradas necesarias (inputs) saturada, partición de componentes y compuestos entre suelo/roca y agua. Conductividad hidráulica, porosidad, características de almacenamiento, espesor de unidades geológicas, recarga areal, recarga de agua superficial, bombeo o reinyección de agua a través de pozos, descarga a agua superficial, fronteras del modelo (corrientes, barreras de flujo, etc.). Para flujo/transporte en fracturas se necesita espaciado, orientación y apertura de fractura. Ídem anterior más concentraciones de entrada de contaminantes, propiedades de dispersión del acuífero, características de retardo de contaminante. Para flujo y transporte en fracturas se necesita espaciado, orientación y apertura de fractura.

Ídem códigos de procesos cercanos a la superficie y de aguas subterráneas.

Procesos modelados/resultados

Simula desagüe de minas y reanegamiento; flujo y transporte en relaves saturados.

Transporte de contaminantes y recarga de agua subterránea o superficial desde una instalación minera.

Simular todos los componentes del régimen de flujo hidrológico (deshielo, terrestre, canalizaciones, flujo zona insaturada/saturada) e interacción entre componentes.

Fuente: Modificada de Maest et al., 2005

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b. Modelos geoquímicos

En principio los modelos geoquímicos pueden ser utilizados para predecir la generación de drenaje minero en los depósitos de relaves tanto para agua superficial como subterránea. El tipo de modelo a utilizar dependerá del objetivo perseguido y sus vías de transporte. Los modelos de especiación química son uno de los más importantes. La especiación química se refiere a la distribución de los elementos y componentes químicos entre las distintas formas o especies posibles. Este concepto es de gran importancia, debido a que se ha demostrado que ciertos procesos, como la precipitación y disolución de minerales, la sorción, la utilización por organismos vivos y su toxicidad, se ven afectados por la especiación química. Estos modelos asumen generalmente un equilibrio de las especies redox, cuestión que en la práctica no sucede, ya que estas especies se encuentran habitualmente en desequilibrio, por lo que se recomienda que éstas sean determinadas analíticamente y no modeladas. Asimismo, existen también los modelos de transferencia de masa, enfocados en el modelamiento de la disolución y precipitación de minerales y la transferencia de gases. Generalmente, en este tipo de modelos se asume un estado de equilibrio. Otros tipos son los modelos de transporte (reactivo o no reactivo) que se acoplan con modelos de reacción para determinar los efectos del flujo en las reacciones y viceversa. Y los modelos geoquímicos de equilibrio, que consideran sólo reacciones químicas. Estos modelos son estáticos y permiten conocer la distribución de especies químicas en el agua y las reacciones químicas en equilibrio. En la siguiente tabla se enumeran los principales modelos geoquímicos que se utilizan en la predicción del drenaje minero.

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Tabla 8. Códigos geoquímicos utilizados para la predicción del drenaje minero.

Categoría del código Códigos de Especiación Geoquímica, Avance de Reacción, Transporte Reactivo

Códigos disponibles WATEQ4F v.2 (Ball y Nordstrom, 1991 y actualizaciones de base de datos) MINEQL (Schecher y McAvoy, 1991); MINEQL+ v. 4.5 (Environmental Research Software, 2005) MINTEQ (Allison et al., 1991) HYDRAQL (Papelis et al., 1988) Geochemist’s Workbench (Bethke, 1994; 1996 -REACT is mass transfer module)

PHREEQC/PHRQPITZ (Parkhurst, 1995; Plummer and Parkhurst, 1990); PHREEQC v. 3.1.2 (Parkhurst and Appelo, 1999 y 2013)

GEOCHEM (Parker et al., 1995) EQ3/6 (Wolery y Daveler, 1992)

Características especiales La más completa base de datos de minerales para drenaje ácido, especies redox.

Base para MINTEQ (junto con WATEQ); Temperaturas = 0-50°C, Fuerza iónica