RIESGOS AMBIENTALES ASOCIADOS A DEPOSITOS DE RELAVES INESTABLES.

Rehabilitación de un Depósito de Relaves tipo Aguas Arriba. AUTOR: Ing Luis Haro Chávez, Ing. Civil, Jefe de Obras Civiles Cia. Minera Poderosa S.A. Calle Aldabas No. 540 4° Piso Urb. Las Gardenias Surco Telfs.: 275 5577 275 6031 Fax: 275 3582 e mail: lharoch@poderosa.com.pe lharoch@yahoo.com RESUMEN La promulgación de la RD 440-96-EM-DGM donde se reglamenta las

consideraciones de diseño a tener en cuenta para garantizar la construcción

y/o evaluación de la estabilidad de los Depósitos de Relaves operativos,

inactivos o nuevos; y teniendo en cuenta que en el Perú, la mayoría de las

empresas mineras han depositado sus relaves optando por el método de

“disposición aguas arriba”, determinó que en la mayoría de los diseños para

nuevos depósitos o para los trabajos de estabilización de depósitos de relave

inactivos u operativos se deje de lado este sistema de disposición,

principalmente por el riesgo que implica este método constructivo, a la

estabilidad del deposito en zonas sísmicas como la nuestra, a pesar que éste

es un método económico y que por la topografía de las zonas donde se

desarrollan los diversos proyectos mineros en nuestro país, los lugares

disponibles para la colocación de relaves son valles estrechos o quebradas,

para los cuales el método de “aguas arriba” es el sistema más favorable para la

disposición de estos.

Por otro lado, es muy probable que se requiera la recuperación de los

depósitos de relaves que no han sido concebidos de acuerdo con principios de

diseño y practica apropiados. Frecuentemente se pueden desarrollar

problemas con presas de relave construidas durante un largo periodo de

tiempo y que como resultado de cambios en el método de trabajo del proceso

del cual se deriva los relaves, se les puede incrementar la altura o alterarlas en

su sección transversal o por otro lado efectuar cambios al propósito que se

tenia originalmente. De otro lado, como fue concebida originalmente la presa

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puede haber funcionado satisfactoriamente y puede ocurrir que los cambios

conduzcan a problemas no previstos con el drenaje u otros elementos de

diseño.

EFECTOS AMBIENTALES DE LAS FALLAS DE TALUDES Moviéndose como una masa de lodo y desplazándose a velocidades de 15-50

km./hr el deslizamiento de los relaves constituye el principal riesgo para la vida

y seguridad de estos embalses.

Los efectos ambientales de la falla de un talud comprenden tanto efectos

directos como indirectos.

Los efectos directos comprenden las perdidas materiales y de vidas humanas,

y la destrucción de toda estructura, ya sea vida animal o vegetal por el paso de

los relaves descargados.

Los efectos indirectos incluyen daños aparentemente menores al medio

ambiente.

La falla de un deposito de relaves hacia un cuerpo de agua puede causar

también la destrucción de la vida acuática.

Los efectos indirectos también incluyen los impactos socioeconómicos tales

como perdida de productividad de la mina debido a la paralización causada por

la falla de un talud, los costos de reparación y la perdida del terreno afectado

para cualquier uso productivo.

Causas y fallas durante la operación, la causa principal es la inestabilidad del

talud, los sismos y los desbordes.

Causas de fallas después de la clausura, mayormente debido a desbordes.

Fallas en las presas del tipo “aguas arriba”, generalmente por fallas de talud y

eventos sísmicos.

También debería de considerarse las fallas producidas en los suelos de

fundación de las presas debido a su baja capacidad portante o a la

licuefacción.

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CONSIDERACIONES TECNICAS Normalmente para el diseño de un deposito de relaves por el método de

disposición de Aguas Arriba se considera la construcción de un dique de

arranque que en la mayoría de los casos se ejecuta con material de préstamo o

de relleno rocoso y luego son llenados con los relaves descargados. Las

presas de relave del “tipo aguas arriba”, mostrado en la figura 1, la presa es

levantada por la construcción progresiva de “diques perimétricos” sobre la

superficie de relaves precedente, de tal manera que cada dique avance

sucesivamente hacia el interior conforme la presa es levantada. La

característica de este método es que la integridad estructural de la presa esta

gobernada por las propiedades y comportamiento de los relaves descargados

hidráulicamente los cuales forman la base del talud de la presa.

Ilustración 1: Esquema Deposito Aguas Arriba Asimismo, también se puede considerar la utilización; para el re-crecimiento del

deposito o para la construcción del dique; arena cicloneada del mismo relave

con contenido de finos (material que pasa la malla 200) entre 10% y 20% en

peso, con permeabilidades que excedan 10-1 cm/seg.

El caso especifico que presentamos se refiere a la estabilización de un

deposito de relaves del tipo aguas arriba (Cancha de relaves No. 4 de Cia.

Minera Poderosa) no operativo cuyo talud con una pendiente de 42° , con

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erosión causada por aguas de lluvia y la altura de 42.00 m. lo hace inestable,

con el consiguiente riesgo de colapso afectando sobre todo a un río, a cuyas

orillas se encuentra ubicado. (ver Ilustración No. 2).

Ilustración 2: Planta Obras Estabilizacion Deposito No. 4 La solución planteada es la de la construcción de una berma o contrafuerte

estabilizadora (tipo aguas arriba), método mas ampliamente empleado para la

estabilización de taludes y uno de los más económicos disponibles. El concepto

es simplemente proporcionar una carga pasiva adicional que contrarreste a las

cargas activas o desestabilizantes, incrementando el factor de seguridad. Para

la implementación de este método se utilizará relave evitando en su colocación

la formación de lentes de lama en posiciones cercanas a la superficie del talud

que forman planos débiles susceptibles a la falla por deslizamiento.

El ancho requerido del dique de relave se obtiene mediante un adecuado

control permanente de la distancia de descarga de la pulpa de relaves evitando

que el material fino (lama) invada el sector del dique.

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Como en la construcción de este dique se empleará relave antiguo y nuevo, y

su proceso constructivo será por etapas, nos permitirá que se vuelva a re-usar

éste deposito logrando así ampliar la vida útil del mismo y a un costo de

disposición bajo.

Bajo el concepto de que los suelos tienen resistencia a la compresión y no

poseen resistencia a la tracción y a efectos de mejorar las condiciones de

estabilidad de éste deposito se han empleado conceptos novedosos de

refuerzo para la estabilización de este talud: el uso de geosinteticos como son

los geogrids o geomallas uni-axiales de alta resistencia, de polietileno

recubierto con poliéster y gaviones en el sistema de “suelo armado”.

Esta técnica de construcción está basada en el simple principio de que la

estabilidad de un talud puede ser mejorada por medio de su interacción con

materiales resistentes a los esfuerzos de tracción.

UTILIZACION DE GAVIONES Y GEOMALLAS EN EL MEJORAMIENTO DE LA ESTABILIDAD DE LAS PRESAS DE RELAVES La estabilización de taludes mediante el uso de gaviones es una practica

común desde hace décadas. Con la intención de abaratar las obras debido al

incremento de costos de mano de obra y la piedra, se ha orientado la

investigación hacia nuevas técnicas constructivas, lo cual dió origen al Sistema

de Suelo Armado.

En general, podemos afirmar que los suelos son altamente resistentes a la

compresión pero débiles a la tracción, esta situación puede salvarse

introduciendo un segundo material que tome los esfuerzos de tracción,

alcanzándose unión entre ambos por medio de movilizar las características de

fricción del suelo, en este caso arenas de relave.

La sección transversal de este refuerzo debe disponerse en el plano de

máxima tensión de compresión, de manera tal de lograr la máxima fricción;

esto lleva al uso de refuerzos horizontales en un sistema uniaxial de malla de

refuerzo o geomalla.

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El sistema de Suelo Armado es realizado con una cara frontal de gaviones de

tan solo 1.00 m de ancho; el cual no cumple una función estructural; anclada

por paneles de malla hexagonal de alambre tejido a doble torsión extendido

dentro del relleno posterior. La malla hexagonal mencionada, que es similar a

la que se utiliza en la construcción de los gaviones, hace uso de la fricción,

corte y de la traba mecánica con el material de relleno.

La fricción se manifiesta en la superficie de los alambres y esta relacionada con

el ángulo de fricción interna del material de relleno.

El corte tiene lugar por el diseño del tejido de la malla, el cual confina en su

interior una porción de relleno.

Una estructura en Suelo Armado tiene una serie de ventajas entre las que

podemos mencionar:

Flexibilidad que permite a la estructura tomar asentamientos del terreno y

deformaciones sin llegar al volcamiento o deslizamiento del muro.

Permeabilidad del paramento externo que garantiza el drenaje del terreno

posterior lo cual elimina el efecto desestabilizante del empuje hidrostático.

Simplicidad constructiva lo que permite que una obra sea llevada a cabo

manualmente, con mínimas instalaciones, así como también el empleo de

mano de obra no calificada.

Rapidez de colocación y puesta en funcionamiento de inmediato de la obra, lo

cual permite una ejecución por etapas.

El uso del material de relleno asegura que la capacidad de anclaje de la malla

no se verá afectada por las variaciones en el contenido de humedad y que el

macizo armado resultante tendrá una elevada estabilidad interna. Se puede

asumir que debería alcanzarse un ángulo de fricción interna de 36° ; de

cualquier forma es recomendable que en ningún caso el ángulo de fricción

interna sea inferior a 28°.

Una asociación entre el sistema Suelo Armado y geogrids o geomallas es una

excelente solución técnica, constructiva y económica para estructuras de

contención de grandes alturas en suelos reforzados.

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Las geomallas son estructuras planas obtenidas a partir de la soldadura de

cintas compuestas por filamentos de poliéster de alto modulo elástico y

excelente comportamiento a la fluencia (alargamiento permanente) revestidos

en polietileno.

Para mejorar la interacción suelo/geogrid, las cintas son tienen una terminación

en relieve.

El núcleo en poliéster define las características mecánicas del geogrid y el

revestimiento en polietileno tiene una función de proteger el núcleo contra

daños de durante la instalación.

El polietileno mas allá de ser un polímero inerte, o sea, que tiene una

resistencia al ataque de agentes químicos y biológicos y también no contamina

el medio ambiente.

Las principales características técnicas de las geomallas empleadas son:

Alta resistencia a la tracción, 200 kN/m en sentido longitudinal, con bajo

elongamiento y excelente comportamiento bajo cargas constantes

(deslizamiento).

Buenas características y mejoramiento de los coeficientes de interacción o

fricción suelo/grid.

Alta resistencia a daños de instalación capaces de resistir las peores

condiciones de colocación.

Inerte y no contaminante.

Aplicable a estructuras diseñadas para una vida útil de 120 años.

DESCRIPCION DEL PROYECTO En toda evaluación de estabilidad se debe empezar por identificar los

problemas que podrían presentarse y evaluar los riesgos y posibles efectos

relacionados.

En el caso del Deposito de relaves No. 4 se han identificado las siguientes

causas potenciales que afectarían la estabilidad del mismo (ver Ilustración

No.3):

- Falla de talud en condiciones normales.

- Falla de talud por sismo.

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- Erosión por crecida del río Marañon.

- Erosión por agua superficial.

- Licuefacción.

Ilustración 3: Deposito No. 4 y Causas de Desestabilizacion Como consecuencia de las causas arriba mencionadas, se propone las

siguientes medidas de estabilización:

- Construcción de bermas o contrafuertes.

- Drenaje.

- Obras de protección ribereña

Cia. Minera Poderosa, ha construido un muro de protección ribereña en

gaviones, el cual también incluye la construcción de un espigon de protección,

ubicado aguas arriba de este muro, el cual se utilizará como dique de

confinamiento para la disposición de relave nuevo, el cual a su vez servirá

como contrafuerte para la estabilización del deposito (ver Ilustración No. 4).

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Ilustración 4: Muro de Defensa Ribereña y Espigon. Luego de los estudios geomecánicos correspondientes, se procedió a realizar

el análisis de la estabilidad del talud por el sistema del equilibrio limite, método

de Bishop modificado para la solución planteada de estabilizar el talud con el

criterio de “tierra o suelo armado” y con la incorporación de geomallas para

mejorar la resistencia al corte de la estructura y por ende su estabilidad global.

La disposición de las geomallas, en lo referente a su longitud, altura de

colocación y resistencia de la malla dependerá de la trayectoria de los círculos

de falla probable; hallados luego del análisis que fue efectuado con el programa

de computo Slope; y deberá de interceptar a éstas, lo cual significa que la

presencia de estos refuerzos evitará la falla por corte, incrementando el factor

de seguridad de la estructura.

En el diseño para los trabajos de estabilización se ha contemplado ejecutar dos

tipos de estructuras de contención (ver Ilustración No. 5):

a)Defensa ribereña, en la base del deposito de relaves y que a la vez servirá

como dique de arranque de la berma estabilizadora, y

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b)Bloques de Suelo Armado, como estructuras de contención del nuevo talud

de la presa de relaves.

Ilustración 5: Isométrico Obras Estabilización Dado que el deposito de relaves a estabilizar se encuentra a orillas del río

Marañon, se ha definido que el dique de arranque deberá de contar con una

defensa ribereña para protegerlo de eventuales crecidas.

El muro de defensa ribereña de 8.00 m. de alto, se construirá bajo el sistema

Suelo Armado descrito anteriormente, con paramento externo de gaviones de

3.00 m de ancho, el cual también servirá como dique de arranque. Los

gaviones serán rellenados con piedra del río. El relleno posterior del dique será

conformado con relave seco y compactado hasta alcanzar una densidad

mínima de 1,800 kg/m3. En la base de este deposito se ubicará una capa de

geomalla para incrementar la capacidad portante del suelo de fundación, así

como se impermeabilizará dicha área con una geomembrana de HDPE de 60

mils.

Por otro lado para protección anti-socavante del muro de defensa ribereña se

colocará una plataforma de deformación flexible de 10.00 m de longitud con

colchones de gavión de 5.0 x 2.0 x 0.30 m. a todo lo largo del muro.

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Luego de haber alcanzado una altura de 4.00 m. de la construcción del muro,

se podrá empezar a colocar relave simultáneamente con la ejecución del dique.

Luego, se deberá de seguir disponiendo relave manteniendo un talud promedio

de 40° con la utilización de las arenas gruesas de relave construyendo hileras o

“diques perimetrales” con este material compactado con dimensiones de

1.2H:1V, en metros (ver Ilustración No. 6). Cabe mencionar que la adición de

cal y cemento durante la operación de recuperación del oro; para mejorar la

floculación; es determinante para producir un tipo de relave: cemento lo cual

incrementa indudablemente la resistencia al corte, parámetro que aun no se ha

determinado, pero por la granulometría del relave, contenido de humedad y

proporción del cemento deberá de tener resistencias mayores a 40 kPa.

Ilustración 6: Sección Berma Estabilizadora

A cada 10.00 m. de altura que alcance la presa, se deberá de ejecutar los

bloques de Suelo Armado que serán de 3.00 m. de alto y con una longitud de

anclaje de 5.00 m., el paramento en gaviones de 1.00 m. de ancho serán

previamente revestidos con geotextil para evitar las fugas de material fino ya

que este paramento será rellenado con relave seco compactado. La ejecución

de estos bloques será por etapas y paralelamente se deberá de colocar relave

para ir conformando el bloque.

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Sobre el área donde se cimentará cada uno de los bloques de Suelo Armado

se colocará un geogrid uni-axial de 200 kN/m de resistencia al corte con la

finalidad de mejorar los coeficientes de interacción relave/grid, mejorar la

capacidad de soporte de la zona donde estarán cimentados los bloques y por

ende resistencia al corte mejorando la estabilidad global de la estructura,

lográndose factores de seguridad tanto estáticos como pseudo-estático

superiores a los mínimos requeridos.

CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES Los geosinteticos han revolucionado el diseño y construcción de terraplenes,

taludes y depósitos de deshechos en los últimos 20 años, aunque su aplicación

en drenaje y refuerzo aun es poco aplicado.

Con los geosinteticos hay una gran oportunidad potencial de revolucionar el

diseño de presas de relaves y sistemas constructivos con una larga vida útil y

resistencia a la erosión superficial, estabilidad estática y sísmica, así como un

adecuado costo / beneficio en el manejo ambiental de los relaves.

Ilustración 7: Colocacion Geomalla 200 kN/m

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Podemos afirmar que con la utilización de gaviones y geogrids se mejoran las

condiciones de estabilidad de una presa de relaves, considerando la utilización

del relave como material para la conformación del dique de arranque en un

sistema de disposición del tipo aguas arriba.

Las obras en suelo reforzado o armado son definidas como estructuras aptas

para la sustentación y estabilización de taludes. Son constituidos por terreno y

por elementos de refuerzo de forma y material adecuados, capaces de

absorber esfuerzos de tracción.

Estos elementos son dispuestos a lo largo de planos horizontales durante el

relleno y unidos entre sí en el sentido vertical de modo de formar un único

bloque compacto de terreno y refuerzo.

De esta forma, el régimen de solicitaciones que se instaura en el macizo

estructural, es tal que activa la resistencia a la tracción de los refuerzos en

virtud de la propia adherencia por fricción con el terreno.

La utilización de gaviones como paramento externo en el sistema Suelo

Armado permite darle mayor rigidez al mismo en el caso de paredes o taludes

más verticales, drenaje, protección contra la erosión, etc.

Para la estabilización del talud del proyecto a ejecutar se ha considerado la

construcción de cuatro bloques de Suelo Armado, (ver Ilustración No. 2), se ha

determinado la incorporación de geomallas como refuerzos adicionales en la

base de cada uno de estos bloques para mejorar la capacidad de soporte

donde se cimentarán cada uno de estos bloques así como mejorar la

estabilidad del conjunto y evitar una falla total por ruptura.

La geomalla tiene una alta resistencia a la tracción (200 kN/m), bajo

elongamiento, resistencia al corte y alta adherencia.

La solución planteada es valida para la construcción de depósitos de relave

nuevos o para la estabilización de depósitos inactivos, haciendo el proyecto

económico pues se puede considerar el uso de éstos de inmediato, permite la

construcción por etapas, y se puede utilizar material de relave como relleno de

préstamo en la conformación de la presa.

No se requiere de mano de obra calificada ni equipo especial para la ejecución

de la obra ni movilización de material de préstamo.

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El método de análisis usado es el del Equilibrio Limite.

La construcción de la berma estabilizadora permitirá almacenar 168,862 ton de

relave a un costo de US$ 1.09 / ton.

REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS “Stability analysis of embankments and slopes”, por Sarada K. Sarma.

“Stability coefficients for earth slopes”, por Bishop, A.W. and Morgensen-1960.

“Design with geosynthetics”, por Robert M. Koerner, 4th Edition.

“Use of geosynthetics to stabilize Poderosa Mine Tailings”, por Dennis Grubb,

PhD, Georgia Institute of Technology, August 3, 1998.

“Cement Chemistry”, Taylor, H.F.W., 1990, Academic Press Ltd. New York.

“Re-evaluación de la Estabilidad Física de los Depósitos de Relaves de Cia.

Minera Poderosa”, por Klohn Crippen-SVS ingenieros S.A., Informe Principal &

Anexos I-XI, Mayo 1998.

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