Apuntes de Balsas-2010

7/28/2019 Apuntes de Balsas-2010

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FUNDAMENTOS DE INGENIERIA Y GESTION DE

BALSAS DE ESTERILES MINEROS

Por: Jos Antonio Botn

E.T.S. de Ingenieros de Minas (Madrid)

Septiembre 2009


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Fundamentos de Ingeniera y Gestin de Estriles Mineros Pag. 2 sep 2005

FUNDAMENTOS DE INGENIERIA Y GESTION DE BALSAS DE

ESTERILES MINEROS

Indice

1. INTRODUCCIN 4

1.1. Partes de una balsa de esteriles. 4

1.2. metodologias de seleccin y diseo de un DEPSITO de estriles 5

1.3. Fase I: Caracterizacion de alternativas de emplazamiento. 71.4. FASE II: Identificacin y definicin conceptual de Alternativas 7

1.5. Fase III: Seleccin de la solucin elegida. 7

1.6. Fase IV: INGENIERA y diseo basico de la solucin elegida. 8

2. FUNDAMENTOS DE DISEO DE UNA BALSA DE ESTERILES 9

2.1. Implantacin en el terreno 9

2.2. Materiales de construccin del dique 10

2.3. Estriles mineros almacenados 10

2.4. Mtodos de construccin del dique 112.5. Sistemas especiales 16

3. CRITERIOS BASICOS DE ANALISIS DE ESTABILIDAD 18

3.1. Criterios Metodolgicos para el estudio de estabilidad 18

3.2. Especificaciones de calidad los esteriles de tratamiento 18

4. SISTEMAS DE CONTROL DE FILTRACIONES 21

4.1. Drenes 21

4.2. Filtros barrera 23

4.3. Pantallas y trincheras impermeables 25

4.4. Sistemas de depresin del nivel fretico 26

5. SISTEMAS DE RECUPERACIN DE AGUA 29

6. SISTEMAS DE VERTIDO Y DESLAMADO 33

7. RESGUARDO 35


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LISTA DE FIGURAS

Figura 1. Seccin tpica de un depsito de estriles mineros ....................................................... ................................. 5

Figura 2 . Metodologa de caracterizacin de un depsito de estriles minero .......................................................... ... 6

Figura 3 . Tipos de implantacin sobre el terreno.............................................................. .......................................... 9

Figura 4 . Mtodo de recrecimiento Aguas Arriba .......................................................... ........................................ 13

Figura 5. Mtodo de recrecimiento del Eje Central......................................................... ........................................ 14

Figura 6. Mtodo de recrecimiento Aguas Abajo ............................................................ ........................................ 14

Figura 7 . Mtodo de recrecimiento en cono ........................................................ .................................................. 15

Figura 8. Control de filtraciones. Dique permeable sobre suelo impermeable................................................. ........... 22

Figura 9. Control de filtraciones. Dique de estril deslamado sobre suelo impermeable............ ................................ 22

Figura 10. Control de filtraciones. Filtro de barrera en dique de roca estril de mina muy permeable........... ........... 24

Figura 11. Control de filtraciones. Pantalla y filtro barrera en dique sobre capa permeable poco profunda.............. 24

Figura 12. Control de filtraciones: Pantalla y membrana impermeable sobre suelos permeables .............................. 26

Figura 13. Control de filtraciones sobre suelos permeables: Sistemas de captacin de efluentes ............................... 27

Figura 14. Control de filtraciones sobre suelos permeables: Barreras hidrulicas..................................................... . 27

Figura 15. Recuperacin de agua mediante torres de decantacin ........................................................ ..................... 31Figura 16. Recuperacin de agua mediante canales de rebose..................................................... ............................... 31

Figura 17. Recuperacin de agua mediante bombas flotantes............... ........................................................... ........... 32

Figura 18. Recuperacin de agua mediante aliviaderos ...................................................... ........................................ 32

Figura 19. Sistemas de vertido por caos de descarga (Spigotting).............................................................. ........... 33

Figura 20. Sistemas de vertido por hidrociclones ..................................................... .................................................. 34

LISTA DE TABLAS

Tabla 1. Anlisis comparativo de mtodos constructivos convencionales ...................................................... ........... 16


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1. INTRODUCCINSin duda alguna, la minera es el sector industrial en el que el problema de los residuos es de mayor importancia

econmica relativa, y muy especialmente el segmento de la minera no energtica.

A titulo de ejemplo, cada tonelada de zinc que entra en el mercado, exige generar un promedio de 25 t de estriles

de planta de tratamiento con destino a depsitos de estriles y cerca de 100 t de estriles de mina con destino a

escombreras, es decir que, los aproximadamente 40 kg de zinc requerido en la fabricacin de un turismo, generan

cerca de 5 toneladas de residuos estriles.

Puede por ello, entenderse el hecho de que el diseo de sistemas de vertido y almacenamiento de estriles de mina

venga fundamentalmente dictado por consideraciones de mnimo costo y mxima economa y que stas

consideraciones hayan determinado la existencia de tecnologas de almacenamiento de estriles propias y especificas

de la minera.

Por las razones de economa anteriores, es tpico que los depsitos de estriles mineros se construyan por etapas y

frecuentemente, aprovechando los propios estriles como material de construccin. A partir de un dique inicial de

pequeas dimensiones, se va realizando el recrecimiento del dique de modo que la capacidad de almacenamiento va

aumentando a medida de las necesidades de vertido.

1.1. PARTES DE UNA BALSA DE ESTERILES.Un depsito o balsa de estriles de tratamiento esta constituido (Figura 1), por los elementos siguientes:

El dique o muro que sirve para contener los estriles y el agua almacenados

El lago de agua decantada, que cubre total o parcialmente los estriles almacenados, formando un filete de

agua de gran superficie y escaso espesor en el que se crean condiciones adecuadas para los procesos de

decantacin (separacin agua y slidos), depuracin por precipitacin o degeneracin por accin solar de

parte de los reactivos y contaminantes.

El depsito de estriles propiamente dicho, que en todo momento ocupa ms del 80% de la capacidad de

almacenamiento.


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Figura 1. Seccin tpica de un depsito de estriles mineros

1.2. METODOLOGIAS DE SELECCIN Y DISEO DE UN DEPSITO DE ESTRILESLa definicin conceptual y diseo de un depsito debe plantearse en las cuatro fases siguientes:

FASE 1 : Caracterizacin de las alternativas de emplazamiento

FASE II : Identificacin y definicin conceptual de Alternativas

FASE III : Seleccin de la solucin

FASE IV: Ingeniera y Diseo bsico de la solucin elegida

La Fase I (caracterizacin de alternativas de emplazamiento) tiene por objeto la identificacin de posibles

soluciones y la definicin de los factores tcnico-econmicos crticos para la eleccin de la alternativa mas

adecuada.

En la Fase II (Identificacin y definicin conceptual de Alternativas), se realiza un estudio conceptual de lasalternativas posibles basada en los factores tcnico-econmicos crticos para la eleccin.

Finalmente (Fase III), se procede a la Seleccin de la alternativa mas adecuada.

Una vez ejecutadas las tres fases anteriores, se procede (Fase IV) a la ejecucin de la ingeniera y el diseo bsico de

la solucin elegida, paso previo a la ejecucin de un Proyecto Constructivo, normalmente contratado a alguna

empresa especializada.


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Figura 2 . Metodologa de caracterizacin de un depsito de estriles minero


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1.3. FASE I: CARACTERIZACION DE ALTERNATIVAS DE EMPLAZAMIENTO.

La caracterizar las alternativas de emplazamiento (Figura 2), exige analizar de los factores tcnicos y econmicoscrticos para la eleccin de alternativa, que generalmente son:

I. Capacidad de almacenamiento necesaria y el plan de vertido a largo plazo.II. Investigacin preliminar de la geologa e hidrogeologa de posibles emplazamientos que por su

topografa permitan un ratio de capacidad a volumen de dique de cierre lo mas elevado posible.

III. Investigacin de cantidades y calidades de posibles materiales de prstamo disponibles.IV. Evaluacin de los condicionamientos relativos a acceso a la propiedad y regulacin

medioambiental.

V. Determinacin del mtodo de vertido de los estriles (situacin relativa de la planta detratamiento, distribucin del spigoting e hidrociclones.

1.4. FASE II: IDENTIFICACIN Y DEFINICIN CONCEPTUAL DE ALTERNATIVASUna vez definidos los factores crticos, estaremos en disposicin (Figura 2), de identificar las alternativas de

emplazamiento y definir, para cada emplazamiento, las soluciones de diseo mas adecuadas. Para ello, se

recomienda seguir una metodologa basada en las etapas siguientes:

I. Seleccin, en cada alternativa de emplazamiento, de un mtodo constructivo del dique en funcinde las caractersticas del material a almacenar y la topografa del emplazamiento.

II. Anlisis preliminar, en cada alternativa de emplazamiento, de la permeabilidad del terreno y elmtodo de control del nivel fretico y las filtraciones.

III. Anlisis preliminar, en cada alternativa de emplazamiento, de los sistemas de recuperacin deagua de decantacin.

IV.

Evaluacin econmica de orden de magnitud de los costes de inversin y operacin de cadaalternativa de emplazamiento.

V. Evaluacin preliminar del impacto ambiental y los condicionamientos legislativos de cadaalternativa de emplazamiento.

1.5. FASE III: SELECCIN DE LA SOLUCIN ELEGIDA.En esta etapa se realiza un anlisis comparativo de las alternativas de emplazamiento, se elige la mas adecuada y se

define en relacin a todos los factores clave estudiados.

En caso de que se planteen dudas entre dos posibles emplazamientos o aun existiendo solo uno, se planteen dudas en

relacin a algunos de los factores clave tcnicos o ambientales, puede ser necesario obtener informacin adicional y


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realizar estudios complementarios que permitan seleccionar y definir una solucin nica.

1.6. FASE IV: INGENIERA Y DISEO BASICO DE LA SOLUCIN ELEGIDA.Como parte de esta etapa es necesario acometer una serie de trabajos de campo y de laboratorio para obtener la

informacin y datos que permitan realizar un diseo solid, muy especialmente en todo lo que se refiere a seguridad

y medio ambiente. Como requerimientos mnimos cabe citar:

I. Estudio geolgico e hidrogeolgico de detalle de la zona ocupada por el depsito (dique, vaso yzonas circundantes. Si fuera necesario para mejorar la calidad del estudio, se realizaran calicatas,

trincheras o pocillos para el estudio de detalle de la base del dique y del vaso.

II. Estudio geotcnico de la zona de apoyo del dique y del vaso, basado el ensayo de muestras demateriales a emplear en la construccin del dique y muestras de sondeos geotcnicos. Entre otros:

- Ensayos a pie de sondeo como el SPT (penetracin), permeabilidad, tests presiomtricos (si hayrocas plsticas).

- Ensayos de laboratorio (Granulometra, anlisis qumico, limites de Atterberg, resistencia,permeabilidad, compactibilidad, hinchamiento), de los materiales a emplear para la

construccin del dique (ncleo, filtros, pantallas, espaldn etc..).

- Ensayos Geotcnicos (resistencia al corte, triaxial, edometria, etc..), de muestras de sondeo de lazona de apoyo del dique y del vaso.

III. Estudio de impacto ambiental, incluyendo un Estudio de base ambiental (climatologa, aguassuperficiales y subterrneas, flora , fauna, etc), que permita caracterizar el medio ambiente de la

zona del emplazamiento antes de la construccin del deposito.

IV. Diseo geomtrico e ingeniera de construccin del dique, con un enfoque hacia los objetivossiguiente:

- Demostrar la estabilidad del dique no solo en su estado final (tras el recrecimiento) sino encualquier estado intermedio ( fases de recrecimiento).

- Demostrar la estabilidad para todos los mecanismos de rotura posibles (rotura circular, roturaplanar a cualquier profundidad, etc.. )

- La metodologa de anlisis debe responder a la Mejor practica disponible (BAP) y con empleode dos o mas mtodos analticos de eficacia reconocida. Se recomienda el empleo del mtodo de

Equilibrio Lmite en 2D y anlisis numrico por elementos finitos en 3D.


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2. FUNDAMENTOS DE DISEO DE UNA BALSA DE ESTERILES2.1. IMPLANTACIN EN EL TERRENO

Las balsas de estriles se adaptan a cualquier topografa (Figura 3).

En zonas montaosas, es preferible una ubicacin cerrando un valle, con el objeto de lograr un

mnimo impacto visual al tiempo que se logra un ratio de volumen de almacenamiento por metro

cubico de dique.

Si la ubicacin en cierre de valle no fuese posible, el depsito puede disponerse en laderas de

pendiente suave, aunque en ste caso, los ratios de capacidad a volumen de dique y por tanto la

economa constructiva, son mas desfavorables. En ste caso, puede tambin adoptarse una

disposicin en escalones (presas escalonadas), dispuestos a distintas cotas en la misma ladera.

En terrenos llanos, es necesario recurrir a diques de cierre perimetral, con un ratio de capacidad

a volumen de dique aun mas desfavorable.

Adems de las disposiciones anteriores, es frecuente la disposicin de depsitos de estriles rellenando huecos de

explotacin minera, tanto cortas como minas subterrneas.

Figura 3 . Tipos de implantacin sobre el terreno


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2.2. MATERIALES DE CONSTRUCCIN DEL DIQUEPara la construccin del dique de cierre se suelen emplear uno o varios de los siguientes materiales:

Las fracciones gruesas de los propios estriles obtenidas por deslamado. Esto sucede cuando los

estriles procedentes de procesos de tratamiento de minerales por va hmeda, como es el caso de

los procesos de molienda-flotacin (minera metlica y minerales industriales), lavado separacin

gravimtrica (carbn, fosfatos etc..) y otros.

La granulometra de stos materiales oscila entre tamaos de arena gruesa (0,1-1,0 mm) y arenas

finas (0,1 mm y 70 micras) y se suelen obtener por ciclonado o simple segregacin por descarga

desde la cresta del dique.

Material rocoso sin clasificar procedente de la extraccin selectiva del mineral en explotaciones a

cielo abierto. Se trata de materiales rocosos todo uno obtenidos por voladura con tamaosmximos de hasta 1 metro y proporcin variable de finos.

En casos excepcionales, la carencia o escasez de los materiales anteriores exige el aporte de

material de prstamo procedente de canteras explotadas con la exclusiva fine de proveer stos

materiales.

Una combinacin de los materiales anteriores, como la construccin del dique inicial con material

de prstamo y el resto con estriles.

En cantidades mucho menores, la construccin de un deposito de estriles precisa de materiales como los materiales

granulares de filtro, que se emplean para el control del nivel fretico y tambin formando pantallas para evitar la

migracin de materiales y los materiales arcillosos para la construccin de pantallas impermeables.

2.3. ESTRILES MINEROS ALMACENADOSLos estriles a almacenar son los residuos procedentes de los diversos procesos de tratamiento de minerales por va

hmeda, en especial los siguientes:

Estriles de procesos de concentracin por flotacin

Son materiales granulares con tamaos entre 0,01-2mm procedentes del tratamiento de minerales metlicos yminerales industriales. Su tamao depende de la finura de molienda necesaria para la posterior concentracin por

flotacin.

El proceso se realiza por va hmeda, y el estril es bombeado al depsito en forma de pulpa arenosa con contenido

en slidos entre 20 y 40%.

Residuos de lavaderos de carbn

Del proceso de lavado de carbones se producen tres tipos de residuos:

Rechazos de roca de mina de mas de 75 mm, provenientes de la roca encajante (pizarras, areniscas etc). Estos

materiales pueden utilizarse como materia prima en la construccin del dique de cierre.


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Residuos de carbn gruesos, con granulometra entre 1 y 75 mm procedentes de la concentracin gravimtrica

del carbn. Estos materiales se comportan como arenas gruesas con buenas caractersticas drenantes por lo que

tambin pueden usarse como material de construccin del dique.

Residuos de carbn finos, con tamaos entre 0,01 y 1 mm, procedentes del proceso de tratamiento de las aguas

de lavado del carbn. Este residuo es bombeado al depsito en forma de pulpa acuosa con 10-35% de slidos en

peso.

Cenizas volantes procedentes de centrales termicas de carbon, de tamaos finos y muy finos (0,5 mm a 20

micras).

Residuos de minerales industriales, que provienen del tratamiento de minerales industriales como el fosfato,

yeso, sales potsicas, feldespato, andalucitas, arcillas especiales y otros muchos. En general, proceden de

procesos de concentracin por procesos de gravimetra o flotacin que generan residuos con granulometra entre

arena gruesa y limos, que son bombeados al depsito en forma de pulpa de propiedades fsicas similares a losresiduos de minerales metlicos.

2.4. MTODOS DE CONSTRUCCIN DEL DIQUEGran parte de los estriles de mina se producen como consecuencia de procesos de tratamiento por va hmeda,

precedidos de trituracin y molienda de modo que los estriles son arenas de granulometra variable transportables

hidraulicamente y que constituyen un material susceptible de ser empleado en la construccin del depsito de

estriles.

Cuando el cierre se construye fundamentalmente a partir de los estriles, stos suelen separarse en dos fracciones ,gruesa y fina, mediante ciclonado o Spigotting, utilizndose la fraccin gruesa arenosa de los estriles de

tratamiento para la construccin del dique y depositndose la fraccin fina aguas arriba en el interior del vaso.

Cuando las caractersticas de los estriles no permiten su empleo como material de construccin del dique, o cuando

stos tienen granulometrias ms gruesas que permiten su secado y transporte por camin o banda, existen otras

alternativas de diseo.

Los mtodos convencionales mas frecuentes son los siguientes:

Construccin aguas arriba

Construccin de eje central fijo

Construccin aguas abajo

Construccin cnica para estriles espesados

Construccin en bancos para estriles de filtro

Adems, se emplean otros mtodos (mtodos especiales), entre los que destacan:

Desaguado y almacenamiento en seco

Estril de relave hidrulico de minas subterrneas.

Estril de relave de cortas a cielo abierto


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Vertidos subacuticos

A continuacin se describen los aspectos fundamentales de algunos de estos mtodos constructivos.

Mtodos convencionales

Son mtodos de construccin del dique mediante recrecimiento que se vienen empleando desde hace ms de un

siglo. En general, se basan en el empleo de los propios estriles de relave como material de construccin aunque en

algunos casos, se emplea roca estril de mina e incluso roca de cantera.

En la Tabla 1, se realiza un anlisis comparativo de los mtodos constructivos convencionales.

I. Construccin aguas arribaEn general, este mtodo esta asociado al empleo de los mismos estriles como material para construir el dique. La

metodologa es la siguiente:

Se comienza (Figura 4) construyendo un dique inicial de pequea altura, construido normalmente con materiales

granulares de prstamo, con capacidad para almacenar los primeros dos aos de produccin. Sobre ste dique, se

dispone la lnea de descarga de estriles con caos de vertido regularmente espaciados cada 10-20 metros.

La lnea de descarga se dispone sobre una estructura elevada (a veces simples bidones vacos, de modo que las

arenas estriles forman un pequeo dique cuyo talud externo va formando el talud de aguas-abajo del dique. Esta

lnea de vertido va desplazndose peridicamente en funcin de las necesidades operativas.

Teniendo en cuenta el modo de vertido desde el dique, se produce una segregacin por tamaos por lo que las

fracciones mas gruesas se depositan mas cerca del punto de vertido, de tal modo que el dique queda formado por

dicha fraccin gruesa, la mas adecuada por su mayor resistencia y permeabilidad, mientras que los finos y las lamas

son arrastrados por el agua y decantan en el interior del vaso.

Los materiales gruesos depositados junto al punto de vertido son nivelados y extendidos con bulldozer o niveladora

al mismo tiempo que se realiza el desplazamiento de la tubera de vertido a cada nuevo emplazamiento.

La estabilidad debe quedar asegurada por:

El talud mnimo del lado aguas abajo debe ser 2:1

La fraccin gruesa que forma el dique debe tener una permeabilidad suficientemente elevada para asegurar

que la lnea de saturacin sea lo mas baja posible, siempre por debajo del pi de talud aguas-abajo del dique

La cantidad de fraccin gruesa disponible debe ser suficiente para conseguir un ancho en coronacin de al

menos 0,7 veces la altura del dique.

Si la cantidad de fraccin gruesa es insuficiente, puede recurrirse a materiales granulares de prstamo para

formar espaldones que aumenten el ancho de dique a la vez que protege el talud contra la erosin.


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Figura 4 . Mtodo de recrecimiento Aguas Arriba

II. Construccin de eje central fijoLa metodologa (Figura 5) es similar a la anterior, con la nica diferencia en el proceso de nivelacin y extendido de

las arenas se realiza de modo que el eje vertical del dique se mantiene en posicin fija, en lugar de irse desplazando

aguas arriba, como en el caso anterior.

Este tipo de construccin da lugar a configuraciones ms estables por su menor ngulo de talud y porque el mtodo

permite la construccin de filtros verticales que garantizan la necesaria permeabilidad.

Este mtodo es preferible cuando la cantidad de fraccin gruesa es escasa y se necesita recurrir a una construccin

mixta con adicin de materiales de prstamo, que se ubican a modo de diques de retencin formando la parte externa

de ambos taludes de dique, de modo que los estriles se utilizan como material central de estril de relave.


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Figura 5. Mtodo de recrecimiento del Eje Central

III. Construccin aguas-abajoEn este tipo de construccin (Figura 6) el dique se va recreciendo a base de sucesivos ensanches de la cresta hacia el

lado de aguas-abajo.

Se emplea fundamentalmente cuando el dique se va a construir a base de materiales de prstamo, o en los depsitos

de dique perimetral en terreno llano, con objeto de ahorrar inversin, ya que se consigue un menor volumen en el

dique inicial.

Figura 6. Mtodo de recrecimiento Aguas Abajo

Cuando se construye con fraccin gruesa de estriles, da lugar a taludes aguas abajo muy tendidos y estables,

aunque las necesidades de material son elevadas.

IV. Construccin cnica para estriles espesados


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Se puede emplear cuando se dispone de estriles producidos en un espesador con una densidad elevada (50% de

slidos en peso), capaces de formar taludes naturales de 15-20.

En este caso (fig. 6), se construye un dique inicial perimetral usando material de prstamo, y se descarga en un solo

punto de vertido, inicialmente situado en un punto sobre la cresta del dique inicial y que va desplazndose hacia

arriba y hacia el centro del depsito a base de apoyarse sobre los propios estriles.

Este mtodo se ha empleado con frecuencia para la reutilizacin o ampliacin de depsitos construidos aguas abajo,

como medio de ampliar su capacidad sin necesidad de recrecer el dique.

Figura 7 . Mtodo de recrecimiento en cono


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Tabla 1. Anlisis comparativo de mtodos constructivos convencionales

Aguasarriba

Aguasabajo

Ejecentral

Pilascnicas

estriles Requiere >40% dearenas para dique

cualquier tipode estriles

Requiere estrilesarenosos o de baja

plasticidad

cualquier tipode estriles

Descarga Desde crestaDe dique

Sinrestriccin

Desde crestaDe dique

En vrtice

Almacenamiento deaguas

Solo paradecantacin

Sinrestricciones

Solo paradecantacin

No permite

Resistencia ssmica Licuefaccinposible

Buena Aceptable Buena

Ritmo derecrecimiento

No superar 9m/ao

Ninguna Ninguna Ninguna

Materiales deConstruccindel dique

i) Relaves de minaciclonados

ii) Arena de rio

i) Estril de minaii) Escollera de

aporte

Relaves de minaciclonados

ii) Arena de ro

No serequiere

Aplicabilidad Clima secoTerrenos llanosreas no ssmicas

En valleCualquier clima En ValleClima seco i) Estril de relave devalles o huecosmineros

ii) Fase final de losdems tipos

Costes Bajo Alto Moderado Alto

2.5. SISTEMAS ESPECIALES

Desaguado y almacenamiento en seco. Los estriles son previamente escurridos hasta 15-20% dehumedad mediante un proceso de espesado y filtrado, obtenindose un producto pastoso que puede ser

manejado como un material granular slido y puede ser mezclado con el estril de mina, depositado en

escombrera independiente en tongadas de 0,3-0,5m o empleado para la restauracin de suelos

extendindolo en capas delgadas sobre los terrenos afectados por la explotacin minera.

Relleno de huecos en minas subterrneas. Estos sistemas permiten disponer de la mayor parte de los

estriles como estril de relave de mina, al mismo tiempo que se obtiene el beneficio de estabilizacin de

huecos.

Relleno de cortas a cielo abierto. Como en el caso anterior, se consigue el beneficio adicional de facilitar

la restauracin del terreno a su topografa original.


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Vertidos subacuticos. Existen casos en que los estriles se depositan en el fondo del mar o en lagos, en

zonas a gran profundidad mediante la instalacin de un emisario subacutico. En todos estos casos, es

importante asegurar la no afeccin a las aguas subterrneas y tomar medidas que impidan la removilizacin

erosiva de los estriles a medio y largo plazo.


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3. CRITERIOS BASICOS DE ANALISIS DE ESTABILIDAD3.1. CRITERIOS METODOLGICOS PARA EL ESTUDIO DE ESTABILIDADComo ya de indica mas arriba, el diseo geomtrico debe asegurar:

La estabilidad del diseo final (tras el recrecimiento) y de todos los estados intermedios o fases de

recrecimiento.

La estabilidad debe quedar demostrada para todos los mecanismos de rotura posibles (rotura circular, rotura

planar a cualquier profundidad, etc.. )

La estabilidad debe analizarse siguiendo la Mejor practica disponible (BAP) y con empleo de dos o mas

mtodos analticos de eficacia reconocida. Se recomienda el empleo del mtodo de Equilibrio Lmite en

2D y anlisis numrico por elementos finitos en 3D.

3.2. ESPECIFICACIONES DE CALIDAD LOS ESTERILES DE TRATAMIENTOMs abajo se citan algunas propiedades fsicas que son fundamentales en la especificacin de calidad de los

materiales del diluir y los estriles a almacenar.

I. Capacidad auto-drenanteLa capacidad auto-drenante de un estril de relave minero suele cuantificarse mediante la tasa de percolacin (k) y

se expresa en cm/hora. En geotecnia de suelos granulares, el parmetro k se denomina Coeficiente de

permeabilidad y se expresa en cm(min). El parmetro k interviene en la formula de Darcy que expresa el flujo de

agua por unidad de superficie de un suelo granular como:

V = k.i cm3/s (i = grad. hidrulico)

La velocidad con la que puede ser extrada el exceso de agua del estril almacenado en un deposito de estriles

depende de la Tasa de percolacin. Para que un estril de relave resulte adecuado como material de construccin

de dique, su tasa de percolacin debe ser superior a 10cm/h.

Los parmetros fsicos que ms influyen sobre las propiedades percolantes de un estril de relave son los

relacionados con su distribucin granulomtrica, especialmente los siguientes:

Tamao eficaz (D10)

Es el tamao de la malla USS o Tyler que permite el paso del 10% del material reteniendo el resto. Un valor tpico

para relaves de molienda-flotacin es 0,035 mm (35 )

Coeficiente de uniformidad (Cu)

Es el cociente entre el tamao de la malla (mm) que permite el paso del 60% del material y el tamao de malla que

permite el paso del 10% del material.

60

10

DCu

D=


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Para unos relaves de molienda-flotacin tpico D60 = 0,125 mm y D10 = 0,035 mm, dara un coeficiente de

uniformidad de Cu = 3,6

Porosidad (n) y ratio de poros (e)

Se define como la ratio entre el volumen de poros (huecos) al volumen total de la muestra. Tambin se puedeexpresar en funcin de las densidades de slidos y la densidad aparente.

(%) 100vV

nV

= (%) 100.(1 )aparente

solidos

n

=

La ratio de poros (void ratio), es el cociente entre el volumen de poros vacos de la muestra (Vv) y el volumen de

slidos (V-Vv). As:

( )

v

v

Ve

V V

=

(1 )

ne

n

=

II. Densidad de pulpa saturada y densidad de slidosLa densidad de pulpa (peso por unidad de volumen), viene dada por:

)( sol aguaW W

V

+

=

Cuando la pulpa est saturada, es decir, todos sus poros estn llenos de agua, la densidad de pulpa saturada se

expresa como el porcentaje de slidos en peso, en condiciones de saturacin, es decir:

(%) 100( )

sol

s

sol agua

W

W W

+

=

o tambin: (1 ). .sol w

sat solidos agua

W Wn n

V

+

= = +

Por otra parte, el agua de saturacin viene dada por:sat( )

w

sat

w sol

W nW

W W = =

+

III. Compresibilidad in situSe define como la reduccin de volumen por unidad de carga y tiene gran importancia en la estimacin de la

capacidad de un estril de relave para absorber tensiones y aliviar las cargas soportadas por los macizos de mineral

adyacentes.

IV. Consistencia (Limites de Atterberg)Como medida de las propiedades hidrulicas del estril de relave, se suelen determinar los limites de Atterberg, muy

empleados en la caracterizacin geotcnica de suelos.


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Limite Liquido es considerado como la proporcin mxima de agua que puede contener un

suelo o estril de relave para que se comporte como plstico.

Limite Plstico, o proporcin mxima de agua que puede contener un suelo o estril de

relave para que pierda su plasticidad y pase a comportarse como un slido seco.

Limite de fase semi-solida, se determina sometiendo el estril de relave a compresin de

modo que va reduciendo su volumen y perdiendo agua (escurriendo). El limite semi

slido se alcanza cuando la perdida de agua deja de suponer reduccin de volumen. A

partir de este punto, el suelo esta en fase slida.

V. Resistencia al corte y fenmeno de LicuefaccinLa resistencia al corte de un estril de relave o suelo granular viene dado por la expresin (circulo de Mohr):

= c + ( - ).tan

Donde c es la cohesin, y y son , respectivamente, la componente normal al plano de rotura y la presin de poro

ejercida por el agua en la misma direccin.

Los valores tpicos de un estril de relave son c 0 y = 30.

El fenmeno de la licuefaccin es, por el riesgo que conlleva, un aspecto muy importante a tener en cuenta en el

diseo de estril de relaves hidrulicos.

La licuefaccin de un estril de relave se puede estudiar mediante la variacin de la resistencia al corte de un estril

de relave respecto a un plano de rotura semihorizontal, en un estril de relave no cementado y saturado de agua.

Para un estril de relave, la cohesin esprcticamente nula c=0 y los valores de y perpendiculares a un

plano de deslizamiento semi horizontal, coinciden respectivamente con el peso de los slidos y la fuerza hidrosttica

o presin de poro.

En condiciones de sobresaturacin del estril de relave (agua de decantacin sobre el estril de relave depositado), el

valor de puede ser muy pequeo, de modo que cualquier aporte adicional de energa al sistema, en forma de onda

ssmica u onda area o vibracin de voladura, puede hacer que = 0, con lo que el estril de relave se licua, es

decir, pasa a comportarse como un liquido de densidad igual a la densidad de pulpa.

Con una resistencia a corte nula, el estril de relave saturado se comporta hidrostticamente como un liquido denso

y, en tales condiciones, la presin ejercida sobre el dique es igual a p=H.


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4. SISTEMAS DE CONTROL DE FILTRACIONES4.1. DRENES

La existencia de una diferencia de cotas entre los niveles freticos dentro y fuera del depsito genera un flujo de

agua hacia el exterior (filtraciones), lo que es necesario incorporar al diseo elementos permitan el control de los

niveles freticos y filtraciones de modo que:

- Se eviten impactos negativos sobre el medio ambiente

- Se conserve el agua necesaria para su reutilizacin en el proceso de tratamiento.

- Se pueda conseguir un diseo estable y econmico ya que los ngulos de talud requeridos dependen de la

posicin del nivel fretico dentro del dique de cierre, que a su vez, depende de la permeabilidad de los

materiales empleados y del diseo de elementos de drenaje.

En cualquier caso, siempre que la permeabilidad del cierre sea igual o menor que la de los estriles depositados,

habr que instalar un elementos de drenaje o drenes que permitan rebajar la cota del nivel fretico en el dique.

El empleo de un sistema de control de nivel fretico adecuado permite reducir las presiones intersticiales en los

materiales del dique, consiguiendo as un diseo ms estable con taludes aguas abajo ms tendidos (ms

econmicos). Adems, al rebajarse el nivel fretico en la zona de pie de dique aguas abajo, se evitan posibles

inestabilidades por deformaciones y arrastre de los materiales a favor de las filtraciones.

Se pueden emplear diversos tipos de sistemas de drenaje:

Drenes de chimenea:

Consisten en la instalacin aguas arriba del dique de una lnea de chimeneas circulares o rectangulares de paredes

filtrantes con tuberas de extraccin de agua en su fondo.

Drenes de lecho filtrante (blankets):

Consistentes en lechos de arena emplazados bajo el dique de cierre, que se apoyan sobre el terreno natural (Figura 8

y Figura 9).

Drenes transversales:

Construidos mediante la acumulacin de material de filtro en forma de pilas horizontales, transversales al eje del

dique (fingers) bajo la base del mismo a/o a media altura, espaciadas a intervalos iguales.

Drenes de tubera:

Construidos mediante tubos de pared porosa recubiertos de filtros de arena y apoyados sobre el terreno natural junto

al pie aguas arriba del dique, en direcciones paralela y/o normal al eje del mismo.


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Figura 8. Control de filtraciones. Dique permeable sobre suelo impermeable

Figura 9. Control de filtraciones. Dique de estril deslamado sobre suelo impermeable


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Un material se considera adecuado como drenaje si su permeabilidad es al menos 100 veces mayor que la del dique

y su curva granulomtrica es adecuada como filtro.

La seleccin de un sistema o combinacin de sistemas de drenaje depende de la disponibilidad de materiales

filtrantes, la capacidad drenante requerida, las caractersticas de los materiales de cimentacin y el costo de

construccin.

En el diseo de los sistemas de drenaje deber asegurar la eficacia del sistema a largo plazo ya que los sistemas de

drenaje quedan enterrados bajo los estriles y el dique, por lo que su reparacin es difcil o imposible. Para ello

debern aplicarse criterios conservadores en la seleccin de materiales y diseo del sistema en previsin de los

problemas siguientes:

- Disminucin de la permeabilidad de los materiales de filtro con el tiempo

- Posible reduccin de superficie filtrante o colapso por efecto de las presiones hidrosttica (tuberas drenantes,

drenes de chimenea)

- Posibles roturas por asentamiento diferencial del terreno en el que se apoyan (tuberas drenantes)

- Posible prdida del sistema por invasin de los estriles (Chimeneas, tuberas).

- Posible reduccin de la capacidad de drenaje por colmatacin de los materiales de filtro.

- Destruccin de los materiales por la agresividad del medio (abrasin, ataque qumico, precipitacin,

incrustacin, etc..).

- Posible obturacin en el sistema de extraccin de las aguas drenadas (tuberas no visitables etc..)

- Efectos ssmicos, lluvias torrenciales, deslizamientos en el vaso, etc

En conclusin, el diseo y dimensionado de los sistemas de drenaje debe estar basado en criterios de diseo muy

conservadores, empleo de materiales de mxima calidad posible, un buen control de calidad de los materiales y de

la construccin, un sistema de auscultacin permanente de las presiones intersticiales y un plan de emergencia para

el caso de malfuncionamientos graves.

4.2. FILTROS BARRERACuando el diseo presenta superficies de contacto entre materiales con granulometrias muy diferentes (Figura 8,

Figura 10 y Figura 11), ser necesario que la superficies de contacto estn separadas por pantallas filtrantes de

transicin que eviten la migracin de material de la zona con granulometra fina a la de granulometra mas gruesa

debida a los fenmenos de arrastre hidrodinmica de materiales y los consiguientes fenmenos de erosin y

piping.

Estas pantallas filtrantes deben cumplir la doble funcin de permitir el paso del agua y evitar el paso de materiales

slidos por lo debe ser mas permeable que la zona con granulometra fina y debe tener un tamao de poro

suficientemente pequeo para impedir el paso de los materiales de zona protegida (zona de granulometra fina).


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Cuando la diferencia de tamaos entre las zonas a separar es excesiva, puede ser necesario intercalar dos o ms

pantallas filtrantes adyacentes de granulometra creciente en direccin del flujo.

Figura 10. Control de filtraciones. Filtro de barrera en dique de roca estril de mina muy permeable

Figura 11. Control de filtraciones. Pantalla y filtro barrera en dique sobre capa permeable poco profunda.

El ancho de diseo para una pantalla filtrante ser funcin de su inclinacin y del mtodo constructivo de modo que


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se asegure la correcta colocacin. As, pude variar entre 15-20 cm para pantallas inclinadas segn el talud y

construidas a mano, y ms de 3 metros para pantallas verticales construidas con equipos de movimiento de tierras.

4.3. PANTALLAS Y TRINCHERAS IMPERMEABLESCuando el impacto ambiental o la necesidad de reducir la prdida de agua hace aconsejable su empleo, el diseo

debe incorporar medidas de reduccin de las filtraciones.

La magnitud de las filtraciones es funcin del gradiente hidraulico y la permeabilidad de medio por lo que puede

reducirse mediante medidas que incidan sobre una o ambos parmetros.

Existen varios sistemas para controlar las filtraciones:

Pantallas impermeables (Figura 11)

De forma tabular segn el eje vertical del dique y como recubrimiento impermeable del talud aguas arriba. Estas

pantallas se requieren cuando el material de construccin del dique es permeable.

Trincheras impermeables (Figura 11):

Cuando el dique se apoya sobre una formacin permeable de poco espesor (hasta 5 metros), bajo la que yacen

formaciones impermeables, se puede construir un zanjn o trinchera perimetral rellena de arcillas, bentonita-cemento

u otro material impermeable a modo de extensin subterrnea de las medidas de impermeabilizacin del dique que

suelen instalarse bajo el pie aguas arriba del dique.

Membranas geotextiles (Figura 12) :

Las pantallas y lechos de material impermeable pueden ser sustituidos por membranas geotextiles

impermeabilizantes, que frecuentemente se recubren con una losa de hormign en masa.

Lechos o recubrimientos impermeables (Figura 12) :

En general, cuando el terreno sobre el que se apoyan dique y vaso son permeable, puede reducirse la filtracin

recurriendo a recubrir la superficie del terreno en la zonas del vaso prximas al dique con un capa de arcilla u otro

material impermeable, sobre el que se depositaran los estriles. De este modo se consigue que los flujos filtrantes

tengan un recorrido mayor con lo que su caudal disminuir.

Sistemas de captacin de efluentes (

Figura 13) :

Capitacin de las filtraciones aguas abajo del dique mediante un zanjn perimetral, una red de pozos o una

combinacin de ambas y retorno al depsito o envo a la planta de tratamiento como agua de proceso o a una planta


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de depuracin de aguas, previamente a su vertido a cauces pblicos.

Barreras hidrulicas (Figura 14) :

Cuando el depsito se asienta sobre un suelo permeable, las filtraciones pueden ser controladas mediante una barrera

hidrulica creada por una fila de sondeos de inyeccin de agua fresca y otra de bombeo de filtraciones. De modo quela mayor presin hidrosttica creada en la fila de inyeccin impide el paso de las filtraciones.

4.4. SISTEMAS DE DEPRESIN DEL NIVEL FRETICOCuando el depsito se apoya sobre un terreno en el que existe un nivel fretico artesiano, ser necesario disponer de

una red de pozos de drenaje, que permitan deprimir el nivel fretico por debajo de la cota del terreno. Estos pozos

deben disponerse con espaciamiento regular bajo el dique y disponer de tuberas que descarguen el agua en tubo

colector o canal abierta aguas abajo del pie externo del dique.

El diseo y espaciamiento de estos pozos depende de la permeabilidad y otros parmetros hidrogeolgicos delterreno. Por otra parte, los pozos deben ser accesibles para su inspeccin y mantenimiento, debiendo estar prevista

la posible ampliacin de la capacidad de drenaje del sistema en caso de que sta se pruebe insuficiente.

Adems, teniendo en cuenta la importancia del problema y la posible variabilidad espacial de los parmetros

hidrogeolgicos, ser necesario disponer de una red de piezmetros que permitan evaluar la eficacia del sistema.

Igualmente, es conveniente realizar anlisis peridicos del agua drenada con el fin de anticiparse a posible deterioro

del sistema por ataque qumico o precipitacin de sales insolubles.

Figura 12. Control de filtraciones: Pantalla y membrana impermeable sobre suelos permeables


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Figura 13. Control de filtraciones sobre suelos permeables: Sistemas de captacin de efluentes

Figura 14. Control de filtraciones sobre suelos permeables: Barreras hidrulicas


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5. SISTEMAS DE RECUPERACIN DE AGUAEl balance de agua generado por el sistema viene dado por:

Caudal excedente (efluentes neto): Q E = Qfr +Qes -Qin - Qev -Qpf

Siendo:

Qfr = Agua fresca aadida en el proceso de tratamiento del mineral

Qes = Aguas de lluvia y escorrentia superficial no desviada

Qin= Agua intersticial retenida en los estriles (30% a 50% del volumen total de estriles saturados)

Qev = Evapotranspiracin

Qpf = perdidas por consumos de proceso y filtraciones

En principio, el sistema planta-deposito debe ser gestionado de modo que el Efluentes neto sea nulo (Q E = 0 ) , de

modo que no sea necesario disponer de planta de tratamiento de agua para su depuracin previa al vertido a cauce

publico.

Para ello, los depsitos de estriles deben suelen dotarse de un canal perimetral que capte la mayor parte de las

aguas de escorrentia y la desve aguas abajo. Adems, deben reducirse al mnimo tanto las perdidas de agua porfiltraciones y reducir las adiciones de agua fresca al mnimo compatible con las necesidades del proceso de

tratamiento (entre 0,2 y 2 m3/t mineral tratado).

Por otra parte, el agua de decantacin sobre la superficie de los estriles depositados se estima de acuerdo con la

expresin siguiente:

Caudal total a bombear Q T = QE + Qpr

siendo Qpr el agua de proceso contenida en los estriles vertidos al deposito, que ha de ser reciclada continuamente

entre el deposito y la planta de tratamiento.

En cuanto al dimensionamiento de los sistemas de recuperacin de agua, ste deber realizarse en base a garantizar

el mantenimiento de un resguardo mnimo (generalmente de 1 m) y disponer de un rebosadero de emergencia.

Los sistemas mas frecuentes son:

Torres de decantacin (Figura 15):

Chimeneas rectangulares o circulares por las que se produce el rebose del agua de decantacin, que es evacuado por

un sistema de conduccin de agua en situado bajo los estriles. Las torres de decantacin se van recreciendo a

medida que aumenta la cota de estriles.


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Canales o chimeneas de rebose (Figura 16):

Son canales fijos recrecibles situados en la ladera del vaso, que disponen de orificios de rebose regularmente

espaciados que van siendo sellados a medida que aumenta el nivel de estriles.

Bombas flotantes (Figura 17):

Sistemas de bombeo instalados sobre balsas flotantes sobre el agua de decantacin. La tubera de evacuacin y los

cables elctricos se apoyan sobre flotadores hasta la orilla.

Aliviaderos (Fig. 17) :

Los aliviaderos permiten al mismo tiempo la recuperacin de agua y el rebose de aportes pico en momentos de

mxima precipitacin, lo que permite que los sistemas de recuperacin de agua puedan ser diseados en base a

caudales medios en lugar de caudales pico.

Como alternativa a la construccin de un aliviadero, a veces es preferible aumentar el resguardo de diseo de modoque los flujos pico puedan ser almacenados en el vaso. Esta alternativa es frecuentemente posible y conveniente en

zonas con escasos aportes de agua.


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Figura 15. Recuperacin de agua mediante torres de decantacin

Figura 16. Recuperacin de agua mediante canales de rebose


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Figura 17. Recuperacin de agua mediante bombas flotantes

Figura 18. Recuperacin de agua mediante aliviaderos


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6. SISTEMAS DE VERTIDO Y DESLAMADOLos ms empleados son:

Caos de vertido (Figura 19) :

Tambin denominado spigotting, consisten en lneas de tubera dispuestas sobre el dique que disponen de caos de

vertido regularmente espaciados cada 10-15 m. En este sistema, la segregacin por tamaos se produce de forma

natural, de modo que la fraccin mas gruesa se deposita mas cerca.

Figura 19. Sistemas de vertido por caos de descarga (Spigotting)


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Hidrociclones (fig. 18) :

En este caso la fraccin gruesa a emplear en la construccin del dique se consigue de un modo controlado mediante

el empleo de hidrociclones alimentados por una lnea de transporte de estriles a presin.

Descarga en cola :

Cuando el dique se construye empleando tcnicas de construccin de presas de tierras para embalsar agua, los

estriles pueden descargarse en cola en un solo punto, de modo que la playa se forma en cola y la recuperacin de

agua puede realizarse desde la cresta del dique.

Figura 20. Sistemas de vertido por hidrociclones


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7. RESGUARDOSe llama resguardo a la altura libre de agua y lodos entre la cresta del dique y la superficie de agua de decantacin.

El diseo de la altura de resguardo pretende evitar que pueda producirse el rebose del agua de decantacin y la

consiguiente destruccin del dique.

Para el clculo del resguardo minino hay que tener en cuenta las exigencias de almacenamiento de agua de lluvia

calculadas en base a precipitacin mxima en 24 horas con periodo de recurrencia de 100 aos. Adems, hay que

aadir el resguardo adicional por oleaje, que depende de la velocidad del viento y el ngulo de talud aguas arriba.

Resguardos entre 1 m y 3 m son normales en depsitos de estriles mineros.

REFERENCIAS

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Ayala Carcedo, F.J., Rodriguez Ortiz, J.M. Manual Para el Diseo y Construccin de Escombreras y Presas de

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Robinsky, E. I. Tailings Disposal by the Thickened Discharge method for Improvement economy and Environmental

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Apuntes de Balsas-2010

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