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INTERCADE

CONSULTANCY & TRAINING

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TALLER

HIDROGEOLOGIAY METODOS

DE EXPLOTACION MINERA

Dr. Roberto Poncela Poncela

Consultor Intercade

1

Dr. Roberto Poncela Poncela - Consultor Intercade

EXPLOTACION MINERA Y CONTAMINACIONDE LAS AGUAS

El caudal de descarga de un acufero en rgimen no influenciado puedeexpresarse como (Boussinesq, Maillet, etc.):

ESTUDIO DE CURVAS DE AGOTAMIENTO. ESTIMACION DE LADIFUSIVIDAD HIDRAULICA DE UN ACUIFERO

2

Q = Q .e0-t

t

Caudal de la fuente o caudal base de la fuente en elmomento t, expresado en m /da.Idem en el origen de tiempos.Coeficiente que depende de las caractersticas geom-tricas e hidrolgicas del embalse subterrneo, condimensiones [tiempo]

Tiempo desde el momento en que el caudal vale Q ,expresado en das.

Volumen almacenado, expresado en m .

Caudal drenado, expresado en m /da.Si Q = Q se tiene el volumen almacenado que ha dadolugar a esa descarga.

3

-1

o

o

3

Q

Q

V

QO

3

V =

Q


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TECNICAS DE DRENAJE A CIELO ABIERTO

CUNETA DE DRENAJE SONDEOSPERIMETRALES

CANAL DEGUARDA

DRENAJES HORIZONTALEZ

SUPERFICIE PIEZOMETRICAGALERIA DE DRENAJE

DREN INCLINADO

ELEMENTOS DE DRENAJE MINERO ACIELO ABIERTO

3

EXPLOTACION MINERA Y CONTAMINACIONDE LAS AGUAS


1. PRACTICA SOBRE FRACTURACION HIDRAULICA

Calcular la presin mnima de inyeccin admisible en cabeza de sondeopara producir fracturacin hidrulica en un pozo cuya zona filtrante sesita entre 800 y 850 m de profundidad, suponiendo la no existencia de

prdidas de carga en la columna.

Se introduce una salmuera dedensidad= 1.10 kg/dm3.

Se tomar como gradiente depresin de seguridad i = 0.12atm/m.

Se prescinde de las prdidas decarga en la columna.

Hiptesis de partida:

4

SISTEMA DE PRESURIZACION

CAUDAL DE AGUA APRESION ELEVADA

ZONA CEMENTADA

REVESTIMIENTO FIJADO

POZOPROFUNDO

RIESGO DE FUGAS

RIESGO DE FRACTURASVERTICALES

INTERFORMACIONALES

ZONA DEFRACTURACION

FORMACION CONSOLIDADADURA

(HARD ROCK)

ESQUEMA SIMPLIFICADO DEL MECANISMO DE FRACTURACION HIDRAULICA

PRACTICA


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NOTA: Si solo se inyecta agua dulce, la presin mnima en cabeza paraproducir fracturacin ser (asumiendo sin prdidas):

atmcm

m

m

dmdmkgmhPL 80

1010/00,1800

2

24

3

333

1 ===

atmatmatmPP LZi 168096 ==

5

PRACTICA


Calcular la presin mnima de inyeccin admisible en cabeza de sondeopara producir fracturacin hidrulica en un pozo cuya zona filtrante se sitaentre 800 y 850 m de profundidad, suponiendo prdidas de carga en lacolumna (tubera de acero de 7) y un caudal de inyeccin de Q = 50 l/s.

Se introduce una salmuera dedensidad= 1.10 kg/dm3.

Se tomar como gradiente de

presin de seguridad i = 0.12atm/m.

Tubera de acero de 7.

Qi= 50 l/s.

Se facilita el grfico de prdidasde carga en la columna.

Hiptesis de partida:

6

100

80

50

40

30

10

5

0,01 0,1 0,5

PERDIDAS DE CARGA (mm/m)

1 2 3 4 5 10 50 100

20

CA

DA

L(I/N)

Dim

etro

sdelt

uboen

pul

gada

s

18

16

15

14

12

10

8

7

6

PRACTICA


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100

80

50

40

30

10

5

0,01 0,1 0,5

PERDIDAS DE CARGA (mm/m)

GRAFICO DE CASTANY (1962)

1 2 3 4 5 10 50 100

20

CAUDAL(I/N)

Di

metro

sdelt

uboen

pul

gada

s

18

16

15

14

12

10

8

7

6

SOLUCION 2

Ejemplo: Continuando con losdatos de partida del caso anterior,supondremos una tubera de acero

de 7 de dimetro, 800 m de

longitud y un caudal de inyeccinQ = 50 l/s.

Si admitimos la existencia de prdidas de carga de circulacin (casoreal) stas estn en funcin de:

La tubera de inyeccin.

El caudal de inyeccin.

Su valor debe aadirse al clculoanterior.

7

35

PRACTICA


PRACTICA 2La prdida de carga ser:

Luego, la presin necesaria en la zona de techo ser:

atmmmmmmmihP CC 80,2000.28/358001 ====

atmatmatmatmPP CMin 9180,9080,288 =+=+

COMENTARIO: la presin mnima deinyeccin puede determinarse hallando el

ndice de inyectividad a medida que seaumenta la presin. Cuando aumentabruscamente es que se ha producido una

fracturacin hidrulica (punto de ruptura enun grfico [Q P] en funcin del tiempo

desde el inicio de cada escaln deinyeccin).

8

CAIDA DE PRESION POR FRACTURACION HIDRAULICA

350300

250

200

150

100Presi

(atm)

50

0

0 20 40 60 80

P(f(Q))

Tiempo (min)

Fracturacin hidrulica


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atmmatmmihPZi 96/12,08001 ===

atmcm

m

m

dmdmkgmhPL 88

1010/10,1800

2

24

3

333

1 ===

En el techo de la zona de inyeccin la presin ser:

La columna de lquido origina una presin de:

La presin mnima en cabeza para producir una fracturacin ser

(asumiendo prdidas):

1 atm 1 bar 1 kp/cm2

SOLUCION 1

9

atmatmatmatmPPPP CLZiMin 1180,1080,28896 =+=+=


2. PRACTICA SOBRE EL CALCULO DE LA DIFUSIVIDADHIDRAULICA A PARTIR DEL COEFICIENTE DE AGOTAMIENTO

Durante las primeras etapas de exploracin minera de un territorio

para la obtencin de menas metlicas se realiz un estudiohidrogeolgico preliminar del macizo rocoso. Las principales

caractersticas se pueden resumir en:

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PRACTICA

Naturaleza: Materiales de naturaleza volcnica. Tipologa: Alternancia de apilamientos de lavas y piroclastos poco alterados.

Morfologa: Isla volcnica que en la parte norte presenta los restos de un antiguoestratovolcn en escudo, sobre un basamento de naturaleza gnea plutnica y delavas submarinas (pillow lavas). Las mximas alturas oscilan alrededor de 2.200 m.

Tectnica: Responde principalmente a los ejes estructurales de los rifts queoriginaron el volcanismo (en este caso N-S). Hacia el interior del macizo existe unaintrincada red de diques que compartimenta las formaciones y puede llegar arepresar el agua subterrnea.

Se presentan numerosos manantiales colgados a diferentes alturas, de naturalezams o menos efmera.

Se ha detectado un manantial en el contacto entre estas lavas y una estructura dedeslizamiento (brecha de muy baja permeabilidad) sobre dicho basamento.

Dicho manantial, situado a cota aproximada de 1.500 m y por su disposicingeomtrica, se corresponde con un dren natural del sistema hidrogeolgico (seadjunta el esquema de la situacin).

En pocas recientes, la extraccin de recursos hdricos del acufero para abasto yregado, mediante galeras puede haber influido en los caudales que los habitantes

de antao, manifiestan que existan. Durante 250 das se ha procedido a su aforo, en el que se ha registrado una punta

de caudal como consecuencia de unos importantes eventos tormentosos invernales(se adjunta parte del aforo e hidrograma).

11


EVOLUCIN DE CAUDALES

0

20

40

60

80

100

120

0 50 100 150 200 250 300

T (Das)

Q(

l/s)

Descarga

Parte de aforo

Tiempo(das)

Q

0 1

10

20

30

40

50

60

70

80

90100

105

110115

120

130

140

150

160

190

220250 20

25

30

35

40

45

50

60

6580

95

110

60

35

20

15

10

8

5

4

4

(1/s)

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PRACTICA

Calcular:

1) El coeficiente de agotamiento delsistema hidrogeolgico.

2) La difusividad hidrulica del

acufero basada en los datosfacilitados.

3) El volumen de almacenamiento enel momento del pico de caudaldrenado.

4) Teniendo en cuenta que el macizoes de naturaleza volcnica, comose ha descrito anteriormente,estimar un valor (o rango devalores) para la transmisividad.

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La relacin que rige el caudal de descarga de un acufero en rgimen noinfluenciado (disponible en cualquier manual especializado), se puedeexpresar mediante la siguiente frmula exponencial (Boussinesq y

Maillet):

SOLUCION 1

teQQ = 0

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La representacin de esa curva en papel semilogartmico permite calcularun coeficiente alfa [das-1] caracterstico del acufero o porcin deacufero involucrado y que, bajo las mismas condiciones, presenta el

mismo valor de la pendiente, independientemente del caudal drenado.

El coeficiente de agotamiento puede considerarse 1007,0

= das

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6. TALLER


A su vez, el coeficiente alfapuede expresarse como (Rorabaugh y Singh):

y consiguientemente, la difusividad hidrulicaser:

2

2

4 LS

T

=

2

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L

ST =

TS

L

T/S

Transmisividad del acufero ( m / da).2

Coeficiente de almacenamiento. Adimensional.

Difusividad hidrulica o relacin entre la transmisividad del acufero y sucoeficiente de almacenamiento (m /da).

2

Coeficiente de agotamiento (das ).

Distancia caracterstica, expresada en metros. Normalmente a la divisoriade aguas subterrneas o cualquier otra.

-1

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La difusividad hidrulica ser:

( ) dammdasST 2

2

21

350.14362.14250.2007,04 ==

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El volumen almacenado o drenado puede expresarse como:

SOLUCION 2

QV =

El volumen almacenado o drenado puede expresarse como:

3300 74,0571.740

007,0

4,86/60hmm

slQVV =

===

QQ

V

Caudal drenado, expresado en m3/da.

Si Q = Q se tiene el volumen almacenado que ha dado lugar a esadescarga.

Volumen almacenado, expresado en m .3

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PRACTICA

Dado que las litologas descritas se corresponden con un apilamiento delavas y escorias, localmente con manto piroclsticos y/o conos de cnderenterrados, puede considerarse que para las lavas, los valores del

coeficiente de almacenamiento pueden oscilar entre el 3 y el 5% y para losmateriales piroclstico-escoriceos entre el 10 y el 12%.

Para el conjunto, asumiendo una mayor proporcin de lavas que de material

piroclstico (3/1) se tiene unos valores de coeficiente de almacenamientoponderados entre el 5 y el 7%. En esa situacin se tendra que:

SOLUCION 3

( )da

maada

mTda

mS

T 222 104.171707,005,0350.14350.14 ==

A efectos de clculo se podra considerar un intervalo de:

damaT

2

100.1700=

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PRACTICA

3. PRACTICA SOBRE LA APLICACION DEL METODO DRASTICPARA LA EVALUACION DE LA VULNERABILIDAD DE UNACUIFERO

El impacto sobre las aguas subterrneas puede ser fsico (efectosbarrera, impermeabilizacin de zonas de recarga o modificacin de losflujos subterrneos) y qumico (cambios de calidad por la propia obra y

por vertidos accidentales de productos o sustancias potencialmentecontaminantes).

La Vulnerabilidad de los acuferos frente a la contaminacin puededefinirse, de acuerdo con Foster, como una propiedad intrnseca del

medio que determina la sensibilidad a ser afectados negativamente porun contaminante externo.

DESCRIPCION DEL METODO

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PRACTICA

Es, por consiguiente, una propiedadcualitativa, no medible y adimensional,

cuya evaluacin debe realizarsemediante un proceso dinmico(cambiante con la actividad realizada) eiterativo (cambiante en funcin de lasmedidas correctoras).

El Mtodo DRASTIC(Aller, et al., 1987)clasifica y pondera parmetrosintrnsecos, reflejo de las condicionesnaturales del medio. Como es unmtodo bastante subjetivo, debenutilizarse criterios homogneos paraminimizar esa subjetividad.

A cada uno de los siete parmetrosconsiderados por DRASTIC se lesasigna un valor en funcin de losdiferentes tipos y rangos definidos en la

Tabla A adjunta. Asimismo, a cadaparmetro se le asigna un ndice de

ponderacin entre 1 y 5 que cuantifica laimportancia relativa entre ellos y quepuede modificarse en funcin delcontaminante; dichos ponderales sepresentan en la Tabla B adjunta.

D (depht to water): profundidad delnivel piezomtrico.

R(net recharge): recarga neta.

A(aquifer media): litologa delacufero.

S(soil media): naturaleza del suelo.

T(topography): pendiente del terreno.

I(impact of vadose zone): naturalezade la zona no saturada.

C(hydraulic conductivity):permeabilidad.

21


PRACTICA

Tabla A. Intervalos y valores de los parmetros (modificado de Aller et al, 1987)

22

[D]Profundidad del nivel piezomtrico

[A] Naturaleza del acufero

Descripcin

A. Arcillas, mangas o limos 1 - 3 2 Arcilla no expansiva y agregada 1

B. Igneas / metamrficas 2 - 5 3 Suelo orgnico 2

[S] Tipo de suelo

Intervalo (m) Valor

Valor ValorTipo de sueloIntervalo

ValorIntervalo (mm)

[R] Recarga neta

< 1,5 10 0 - 50 11,5 - 5 9 50 - 100 35 - 10 7 100 - 180 6

10 - 20 5 180 - 255 820 - 30 2 > 255 9

> 30 1

C. Igneas / metamrficas alteradas 3 - 5 4 Marga arcillosa 3

E. Areniscas masivas 4 - 9 6 Marga 5

F. Calizas masivas 4 - 9 6 Marga arenosa 6

G. Arenas, gravas y conglomerados 4 - 9 8 Arcilla expansiva y/o agregada 7

H. Volcnicas 2 - 10 9 Turba 8

I. Calizas carstificadas 9 - 10 10 Arena 9

Grava 10

Delgado o ausente 10

D. Alternancia de areniscas, arcillas y calizas

5 - 9 6 Marga limosa 4


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PRACTICA

Tabla A. Intervalos y valores de los parmetros (modificado de Aller et al, 1987)

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[T] Topografa

[I] Naturaleza de la zona no saturada

Descripcin Intervalo Valor

A. Arcilla, limo o margas 1 - 2 1

B. Esquisitos, pizarras 2 - 5 3

C. Calizas 2 - 7 6

D. Areniscas 4 - 8 6

E. Alternancia calizas, areniscas y arcillas 4 - 8 6

F. Arenas y gravas con contenido en arcilla 4 - 8 6

G. Metamrficas, gneas 2 - 8 4

H. Arenas y gravas 6 - 9 8

I. Volvnicas 2 -10 9

J. Calizas carsficadas 8 -10 10

Intervalo (%)

0 - 2 10 < 4 1

> 80 10

2 - 6 9 4 -12 26 - 12 5 12 - 28 4

12 - 18 3 28 - 40 6> 18 1 40 - 80 8

Valor Intervalo (m/da) Valor

[C] Permeabilidad


PRACTICA

De esa manera, el Indice de Vulnerabilidad IV puede expresarse como el

resultado de sumar los productos de los diferentes parmetros (r) por sundice de ponderacin (w):

wrwrwrwrwrwrwr CCIITTSSAARRDDIV ++++++=

ParmetrosD - Profundidad del nivel de aguaR - Recarga

A - Naturaleza del acufero

S - Tipo de suelo

T - Topografa

I - Impacto de la zona no saturada

C - Permeabilidad

Tabla B - Indices de ponderacin

(W) Indice de ponderacin

5

4

3

2

1

5

3

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PRACTICA

El rango posible de valores del Indice DRASTIC est comprendido entre23 y 226. Los intervalos de vulnerabilidad se han establecido en funcin de

los ambientes hidrogeolgicos, definidos como unidades hidrogeolgicase hidrodinmicas similares. Segn este criterio, para este estudio se hanconsiderado los siguientes intervalos:

VULNERABILIDAD INDICE IV

IV

IV

IV

IV

IV

IV

IV

IV

80

100

120

140

160

180

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