Tranques sin Polvo

El desarrollo industrial trae consigo diferen-tes consecuencias, algunas positivas comola mejora de indicadores como el PIB de

cada uno de los países, pero también otrasnegativas, entre ellas el incremento en la gene-ración de diversos tipos de residuos de ordenindustrial.

En particular, el desarrollo alcanzado porla minería en Chile se ha traducido en un con-siderable crecimiento de la producción de con-centrado de cobre, generando mayores volú-menes de residuos mineros denominados rela-ves. En el país, el método más utilizado para ladisposición final de estos relaves, principal-

mente en la mediana minería, es el tranque dearenas de relaves. Una planta de la medianaminería puede generarlos en una cantidadsuperior a las 2.000 t/día, mientras que unaplanta de la gran minería produce más de110.000 t/día. La gran mayoría de estos rela-ves no se reprocesa ni reutiliza en el proceso

Tranques sin Polvo

Detalles de una investigación que evalúa la mejora de la resistencia de laspartículas de residuos mineros e industriales a la acción del viento luego de la

aplicación de un aditivo químico.

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productivo, por lo que su deposición en tran-ques es la única opción viable de manejo.

Otra importante industria es la de genera-ción de energía eléctrica. De acuerdo a infor-mación entregada por el Ministerio de Energía,de no haber cambios significativos en las ten-dencias de consumo mundial de electricidad,será necesario instalar más de 3.000 GW alaño 2030, lo que implicaría casi duplicar lacapacidad instalada actual. En ese contexto, elaumento de la demanda futura por esta ener-gía tendrá que ser cubierto principalmente concarbón y gas, por lo cual al año 2030 el car-bón llegaría a representar el 44% de la pro-ducción eléctrica mundial. En Chile, la proyec-ción realizada al año 2020 indica que el usode carbón se incrementará en 8%. Uno de lossubproductos de la generación de energía,sobre todo con combustibles fósiles como elcarbón, son los depósitos de cenizas.

Sus ImpactosLos depósitos de residuos industriales y

mineros -como son los de cenizas de carbónresultantes de la generación de energía eléctri-ca y los tranques de relave que almacenan losresiduos resultantes de la obtención del cobrepor el proceso de flotación- son diseñadospara mantener los residuos por un largo tiem-po. En ese periodo deben resistir diferenteseventos naturales como sismos, erosión hídricay erosión eólica, los cuales generan riesgospara la estabilidad mecánica de dichos depósi-tos y también para el medio ambiente y lasalud en el corto y largo plazo. Estos puedeneliminarse o minimizarse si son consideradosen las etapas de diseño, construcción, opera-ción, cierre o etapa de abandono del depósito.

Algunos de los impactos asociados alambiente y la salud que pueden producir estosdepósitos son variaciones morfológicas y paisa-jísticas, visuales, y contaminación del agua, aire

y suelo. La erosión eólica es uno de los factoresasociados directamente a la ocurrencia de estosimpactos, y que en la actualidad no se consideraen las etapas de diseño, operación y cierre. Esteproblema puede ser significativo en los depósi-tos de residuos si se produce variación de lageometría proyectada y disminución de las pro-piedades resistentes del talud, generando ries-gos de inestabilidad y afectando la operación delos depósitos y el ambiente, especialmente cuan-do en las cercanías hay zonas habitadas, indus-triales o agrícolas.

Erosión EólicaLa erosión eólica es un fenómeno de

superficie en el que influyen las distintas velo-cidades de los diferentes estratos de aire a tra-vés de los cuales se mueven las partículas desuelo (American Society Agronomy, CropScience Society of America, Soil ScienceSociety of America, 1985). Consta de tres eta-pas diferenciadas y secuenciales:

1. Iniciación del movimientoLa iniciación del movimiento de las partí-

culas se produce por presión directa del vientoy por el impacto de las partículas desprendidasque se mueven en forma de pequeños saltos através de la superficie del suelo. Según lascondiciones que presente éste, se necesita deuna velocidad mínima del viento para producirel movimiento de las partículas más erosiona-bles; pero, a medida que aumenta su intensi-dad, consecuentemente también se incremen-ta la velocidad, causando el movimiento de laspartículas de mayor tamaño hasta llegar unmomento en que se mueven todas las partícu-las erosionables (ver Figura 1).

2. TransporteEl transporte de las partículas se lleva a

cabo mediante los s iguientes t ipos de

movimiento:

• De arrastre superficial: Ocurre por lapresión del viento contra las partículas delsuelo y la colisión de éstas sobre otras partí-culas.

• De saltación: Se origina por la energíaderivada de granos más pequeños que des-cienden y golpean en saltación a granos demayor tamaño.

• De suspensión: Las partículas de suelocon diámetro inferior a 0,05 mm, quecorresponden a material fino y polvo, sontransportadas en suspensión, prácticamenteparalelas a la dirección del viento.

En la Figura 2 se presentan, en formaaproximada, rangos de velocidades de vientorequeridos para remover diferentes tipos departículas de acuerdo al tamaño.

3. DeposiciónLas partículas arrastradas por el viento -a

través de los distintos procesos de saltación,suspensión y arrastre superficial- se depositancuando la velocidad del viento decrece. Este esun proceso continúo de selección y deposiciónde materiales, en el cual la velocidad del vien-to rige el proceso. Lo que se haga por dismi-nuirla beneficiará a la retención y deposicióndel material.

El problema de la erosión eólica en lostranques de arenas de relave y otros depósitosde residuos se podría definir como una pérdidade material de la superficie, producto de lascaracterísticas de un viento agresivo, quegenera cárcavas en taludes y zonas llanas. Eneste tipo de depósitos, el relave y las cenizas,entre otros residuos de este tipo, por su natu-raleza y tamaño, cumplen con todas las carac-terísticas para ser erosionados por acción delviento.

Además, hay que considerar que la topo-grafía de la mayoría de los depósitos de resi-duos mineros e industriales del norte de nues-tro país, favorece la presencia de

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Figura 2:

Relación entre el tamaño de las partículas y lavelocidad necesaria para lograr su movimiento

Partículas Diámetro Velocidad del Velocidad del (mm) viento (m/seg) viento (km/hr)

Limo 0,05-0,01 0,1-0,05 0,36-0,18Arena fina 0,1 1-1,5 3,6-5,4Arena mediana 0,5 5-6 16,5-21,6Arena gruesa 1 10-12 36-43,2

Fuente:http://plata.uda.cl/minas/apuntes/Geologia/geologiageneral/ggcap05g.htm#eolicoFuente. http://www.weru.ksu.edu/weps.html

Figura 1:

Movimientos de las partículas producto de laacción del viento

���

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vientos agresivos, que con su actuar constantepueden generar problemas relacionados con laestabilidad mecánica del talud, así como afec-ciones de carácter ambiental en las áreasadyacentes. La humedad tiene efectos obviossobre el transporte de partículas, pero única-mente dentro de pocos centímetros sobre lasuperficie de los relaves.

Metodología EmpleadaLa investigación se ha desarrollado en

campos experimentales ubicados en el nortede Chile, en las Regiones de Antofagasta yAtacama, específicamente en un depósito deresiduos industriales y en un tranque de rela-ve. El estudio se inició en el año 2008, reali-zándose aplicaciones anuales de un aditivoquímico en el área definida como experimen-tal. Se considera que es posible utilizar estetipo de aditivos por los buenos resultadosobtenidos en obras viales de caminos no pavi-mentados para minimizar la perdida de hume-dad de los materiales granulares, lo cualaumenta la cohesión de las partículas y dismi-nuye la generación de polvo.

En consecuencia, el objetivo general de lainvestigación ha sido evaluar la mejora de laresistencia de las partículas de residuos minerose industriales a la acción del viento luego de laaplicación de un aditivo químico capaz de man-tener húmeda la capa superior del depósito, demanera de generar una superficie más resistentea la acción erosiva del viento. Para alcanzar esteobjetivo se ha planteado seleccionar a lo menosun aditivo de estas características, determinarlas condiciones del campo experimental, precisarla dosificación del aditivo a aplicar, definir elproceso de aplicación y desarrollar la metodolo-gía de evaluación.

El aditivo químico seleccionado y utilizadoen la investigación es cloruro de magnesiohexahidratado, el cual se obtiene a partir desalmueras ricas en magnesio existentes en elSalar de Atacama. La apariencia de estos clo-

ruros es transparente, cristalina y sin olor. Setrata, principalmente, de un aditivo ligante,higroscópico, delicuescente, resistente a laevaporación, que disminuye la temperatura decongelamiento y es altamente soluble enagua. El funcionamiento de este aditivo estáligado a su alta higroscopicidad, que permiteatraer y retener la humedad ambiente, amino-rando de ese modo la pérdida de partículasfinas del material tratado por pérdida dehumedad y controlando la emisión de polvogenerada por la acción del viento.

Metodología deEvaluación

La metodología desarrollada para evaluar laestabilización de arenas de relave ha considera-do etapas de laboratorio y mediciones in situ.Para realizar la evaluación en laboratorio sediseñó un ensayo empleando un ventilador, quepermite la incorporación de probetas de grantamaño para simular las diferentes condicionesque se presentan en terreno. Así se facilita yacelera la determinación de valores de los pará-metros de erosión eólica que se puedan dar encondiciones reales. Una vez determinadas lascaracterísticas geotécnicas de los relaves delcampo experimental, se procede a construir lasprobetas considerando diferentes dosificacionesdel aditivo químico, así como probetas sin trata-miento. También es necesario conocer las varia-bles de velocidad y dirección del viento, asícomo de temperatura que se presentan en loscampos experimentales para reproducir estascondiciones en laboratorio.

Posteriormente se realiza el ensayo, quetiene una duración aproximada de 10 a 12horas. Finalmente, por diferencia de peso, seestablece el material removido durante el ensa-yo, lo que indica la cantidad de relave erosiona-do bajo las condiciones de ensayo establecidas.

En el campo experimental se identificanlas zonas afectadas por la erosión eólica y sedeterminan las áreas donde se efectuará la

aplicación, para luego implementarse las prue-bas que evalúan la aplicación in situ. Una deestas pruebas son las piquetas de erosión,cuyo objetivo es determinar en el tiempo laerosión o acumulación en la superficie deltranque. Se instalaron canchas de medicióncompuestas por 16 estacas metálicas de 70cm de largo, distanciadas a 1,94 metros, for-mando una cuadrícula de 33,9 m2 de superfi-cie, distribuidas en zonas con y sin el aditivo.

Para la determinación del material en sus-pensión se ejecuta el procedimiento establecidoen la Norma ASTM 1739 - 98 (2004), se definenlos puntos de medición en donde se instalan loscaptadores de polvo -los que se fijan a un sopor-te metálico-, y se mantienen en terreno poraproximadamente un mes. Posteriormente seretiran, reemplazan y llevan a laboratorio. Elmaterial recolectado ha sido analizado según loindicado en la norma y además se ha determina-do el tamaño de las partículas.

El material en saltación se determinó pormedio de la implementación de trampas deLeatherman en cada uno de los puntos defini-dos anteriormente. La trampa permanece colo-cada en el tranque de relave por un mes, paraluego extraerse y transportarse al laboratoriopara su análisis.

Junto a las pruebas permanentes implemen-tadas en terreno se realizan mediciones mensua-les en cada uno de los puntos definidos anterior-mente. Dos de estas mediciones son de PM10 yPM2,5 y permiten determinar la cantidad de partí-culas respirables que se encuentran presentes enel tranque de relave en estudio al momento de lamedición, lográndose determinar la eficiencia deladitivo respecto a la emisión base o condición ori-ginal. Para esto se emplea el equipo Dustmate oMPC-1, con el que se cuantifica la cantidad departículas por centímetro cúbico. La dirección delviento se determina por medio de una brújula y suvelocidad se registra mediante un anemómetro.Las mediciones tienen una duración de 5 minutos.

En Planta de EnamiEl campo experimental seleccionado es el

Tranque de Relaves Nº 3 de la Planta ManuelAntonio Matta de ENAMI, que se encuentraubicado en la provincia de Copiapó, en laRegión de Atacama. El tranque inició su ope-ración en 1987 y el método empleado para suconstrucción es del tipo “aguas abajo”. La cla-sificación de los relaves se realizó mediantehidrociclones en línea. Este tranque se constru-yó desde un muro de partida inicial, y poste-riormente se continuó con un prisma de arenasde relaves, las cuales se depositan en capas yse compactan mecánicamente. El proceso decompactación se realiza a través de 4 ciclos de

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El aditivo dio buenos resultados, aunque proseguirán los estudios para mejorar su aplicación.

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buldózer, previa distribución del material depositado con la mismamaquinaria a lo largo del talud del tranque.

La Planta Matta recibe y procesa minerales de una gran cantidad deyacimientos y de una variada mineralogía, depositando relaves con granheterogeneidad. Actualmente, el tranque almacena más de 18 mil tone-ladas de relaves entre lamas y arenas.

En el sector seleccionado, de aproximadamente 4 ha., el tratamiento fuerealizado inmediatamente terminada la fase operativa del sector -depositaciónde relaves- y luego se procedió a implementar la instrumentación que permitie-ra realizar la evaluación por al menos un año de operación. En la Figura 3 sepresenta la zona tratada y la ubicación de los puntos de medición.

Resultados ObtenidosA partir de la información recopilada se ha logrado caracterizar el

relave, obteniéndose los parámetros geotécnicos más relevantes, inclu-yendo los datos necesarios para la confección de probetas en bandejasmetálicas en condiciones similares a las que se encuentran los relaves enel depósito. En este caso se ha identificado una compactación de un80% del ensayo proctor normal. Se han efectuado dos campañas deevaluación en laboratorio, cada una de las cuales ha considerado la con-fección de tres probetas. Dos han sido tratadas con cloruro de magnesiocon dos dosificaciones diferentes y la tercera probeta se usó de control,por lo que no se le aplicó el aditivo.

Antes y después de cada sesión de exposición se registraron lospesos de las probetas, para posteriormente determinarse el materialarrastrado por efecto eólico mediante diferencia de pesadas.

Los resultados de ambas campañas son similares, presentándose enla Figura 4 los alcanzados en la última de éstas. Como se puede obser-var, la probeta que presenta menor pérdida de material es la Nº 3, conun 3,9% en los diez días de ensayo. Respecto a la probeta Nº 1 sin adi-tivo, la probeta Nº 3 registra un 28% menos de pérdida de material y laprobeta Nº 2 un 21% menos.

La investigación in situ se ha dividido en tres etapas debido a quelas características de construcción del tranque de relave impiden prolon-gar la zona tratada por un periodo mayor a un año.

En concreto, se ha aplicado el aditivo durante tres veranos a partirdel año 2008. Con el fin de realizar la evaluación in situ de las arenasde relave tratadas se instalaron 6 puntos de medición mensual y 12 can-chas de medición permanente. Los puntos 1, 4 y 5 se ubican en la zonano tratada, al igual que las canchas 1, 2, 11 y 12. La distribución decada uno de los puntos se presenta en la Figura 3.

Investigación ��

Figura 3:

Zona tratada y puntos de medición en tranque derelave Nº 3.

���

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Se realizaron mediciones mensuales en las 12 canchas de piquetas de ero-sión implementadas. Respecto del total de pérdida de material particulado porefecto eólico en las canchas sin tratar, las áreas tratadas presentan sólo un 18%de pérdida de material durante un periodo de 8 meses, demostrando que eladitivo mejora las propiedades resistentes de las partículas ante la acción delviento. También se determinó que en los depósitos ocurre erosión y deposita-ción en diferentes sectores. Esto se debe a la dirección del viento y el arrastre departículas desde las partes bajas del talud no tratadas.

La Figura 5 presenta las mediciones realizadas en un periodo de 8meses en las canchas Nº 11 y 7, en la línea horizontal formada por laspiquetas 5 a 8. Como se observa en la figura 5 (a), la cancha Nº 11 pre-sentó erosión en casi toda su longitud, llegando a registrar pérdidas derelave en un espesor cercano a los 10 cm, exhibiendo una pérdida dematerial promedio de 1,25 cm/mes. En la figura 5 (b) se presentan la pri-mera y última medición realizada en la cancha Nº 7. La pérdida de mate-rial alcanza en la situación más desfavorable a menos de 2 cm en unperiodo de 8 meses, presentando una menor pérdida promedio de 0,23cm/mes. La situación ocurrida en estas dos canchas es muy diferente, yaque se observa que la cancha ubicada en la zona tratada tiene mejorresistencia a la acción del viento que la cancha no tratada.

Más AntecedentesEn cada uno de los puntos de medición emplazados en el tranque de rela-

ve se instalaron además 6 trampas de Leatherman y 6 captadores de polvo

durante el año 2009. La información recopilada se encuentra en etapa detabulación y aún no se cuenta con suficientes datos para establecer conclusio-nes definitivas. Sin embargo, en las mediciones realizadas en las trampas deLeatherman y los captadores de polvo, en general se aprecia que la zona trata-da presenta mejor comportamiento frente a la acción del viento que la zona notratada. En ambos casos, se observa que los dispositivos ubicados en una zonaprotegida del viento predominante y en la zona tratada, recolectan menor can-tidad de material. Las trampas que se ubican en la zona no tratada y expuestadirectamente al viento predominante presentan una mayor cantidad de mate-rial captado.

La determinación del rango predominante de dirección del vientofue realizada en base a las mediciones in situ en cada punto de monito-reo. En primera instancia, se observa que en el periodo junio-agosto elviento presenta direcciones alrededor del W (270º), mostrando un rangoentre SW (240º) y NW (280º). El rango de dirección del viento que pre-senta el resto del año se mueve entre NW (290º) y NW (310º).

Las mediciones de material particulado, velocidad del viento y temperaturase han realizado en cada uno de los seis puntos instalados en el tranque de rela-ve. Para el análisis se han seleccionado las mediciones realizadas el 5 de marzo y26 de agosto de 2009, las que contemplan un periodo de 5 meses de diferencia.Esto permite observar que la velocidad del viento en ambas fechas es muy simi-lar, sin embargo en el punto 1 la emisión de partículas PM10 se mantiene sinvariación, mientras que en el punto 2 sí se observa una disminución de aproxi-madamente 5 partículas/cm3.

Conclusiones y RecomendacionesLos resultados obtenidos en las mediciones in situ y de laboratorio

para evaluar el comportamiento del aditivo, indican un incremento de laresistencia superficial de las partículas de material depositado frente a laerosión eólica a velocidades superiores a 10 m/s. El estudio realizadopermitió proponer un procedimiento específico de aplicación del aditivoen depósitos de residuos y una metodología para evaluar su comporta-miento frente al efecto del viento en el tiempo.

Se debe continuar investigando la manera de mejorar los sistemasde aplicación del aditivo y desarrollar nuevas técnicas de evaluación quepuedan aplicarse a los depósitos de residuos, sobre todo considerando elfuturo incremento que tendrán éstos en Chile en los próximos años.

Por Pamela Valenzuela T., Juan Palma G. y Raúl Espinace A.,Pontificia Universidad Católica de Valparaíso;Manuel Carmona, Planta Matta de EnamiJosé Tomás Ovalle, Gerente General Salmag

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Figura 4:

Resultados de segunda campaña de evaluación enlaboratorio, tranque relave Nº 3

100,0

99,0

98,0

97,0

96,0

95,0

94,0

93,0

Pérd

ida

peso

(%)

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10Tiempo (días)

Figura 5:

Piquetas de erosión cancha Nº 11 (a), piquetas de erosión cancha Nº 7 (b), piquetas 5 a 8, 2009.

L10 L11 L12 L13 L14 L15 L16 L17 L18 L19 L20 L21 L22 L23 L24 L25 L26 L27L1 L2 L3 L4 L5 L6 L7 L8 L9 16,0

18,0

20,0

22,0

24,0

26,0

28,0

30,0

32,0

34,0

36,0

38,0

L10 L11 L12 L13 L14 L15 L16 L17 L18 L19 L20 L21 L22 L23 L24 L25 L26 L27L1 L2 L3 L4 L5 L6 L7 L8 L9 19,0

21,0

23,0

25,0

27,0

29,0(a) (b)

ene-09

sep-09ene-09

sep-09

Sin Estabilizar 2 kg/m2 Bischofita 3 kg/m2 Bischofita

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