Diseño Geotécnico de Pilas de Lixiviación

Diseño Geotécnico de Pilas de Lixiviación Ale J. D; Clariá J. J. y Bonalumi A.A.

RESUMEN: En nuestra región, en los últimos años la explotación minera a cielo abierto ha tomado gran auge, lo que hace cada vez más frecuente la construcción de canchas de relaves y de lixiviación. Al ser estas estructuras de suma importancia debido a su gran tamaño y peligrosidad en caso de falla, es necesario desarrollar un diseño geotécnico minucioso. En el presente trabajo se describe el diseño desde el punto de vista geotécnico de una pila de lixiviación, abarcando desde la investigación geotécnica requerida, análisis de estabilidad de taludes, diseño de geosintéticos, ensayos de laboratorio y aplicación de sus resultados en el análisis y diseño de una pila de lixiviación. Se presentan las metodologías y alternativas que se pueden tomar al momento de diseñar geotécnicamente una pila de lixiviación. Se concluye sobre la importancia que representa en esta clase de estructuras el tipo de interfase suelo-geomembrana, así como el monitoreo geotécnico constante.

Palabras clave: minería – geosintéticos – estabilidad de taludes – pilas de lixiviación.

ABTRACT: Many open pit mining projects have been developed in our region during the recent years which has led to the construction of tailing impoundments and leach pads. These structures are very important due to their large size and the damage they can generate in case of failure. For these reasons, it is necessary to develop a detailed geotechnical design. This article describes the design of leach pads from a geotechnical point of view, which considers the type of required geotechnical investigation, slope stability analysis, geosynthetics design, laboratory tests, and the application of their results in the analysis and design of a leach pad. Different leach pad design methodologies and alternatives are presented. The article concludes about the importance of geomembrane-soil interface selection and a constant geotechnical monitoring.

Key words: mining – geosynthetics – slope stability – leach pads.

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INTRODUCCION

En nuestra región, en los últimos años la explotación minera a cielo abierto ha tomado gran auge, lo que conlleva a una cada vez más frecuente construcción de estructuras minera de envergadura tales como canchas de lixiviación, canchas de disposición de relaves, presas de relave, plantas de procesos, etc. Al ser estas estructuras de gran importancia debido a su gran tamaño y su susceptibilidad en caso de falla, es necesario desarrollar un diseño geotécnico minucioso. En el presente trabajo se describe el diseño desde el punto de vista geotécnico de una pila de lixiviación aurífera, el cual abarca la investigación geotécnica de campo, ensayos de laboratorio, análisis geotécnicos y el planeamiento de un monitoreo geotécnico. Por otro lado, se presenta una explicación sintética del proceso de lixiviación, los criterios de diseño en este tipo de instalación y qué tipo de materiales están involucrados. 2

PROCESO DE LIXIVIACIÓN

2.1 Definición del Proceso de Lixiviación El proceso de lixiviación es la extracción de ciertos materiales de un sólido cuando se pone en contacto con líquido solvente, el cual a su vez hace de medio de transporte; en minería el proceso metalúrgico de lixiviación para la obtención del oro, cobre y otros metales, se realiza a través de el riego de algún solvente sobre el material extraído de la cantera a cielo abierto o tajo abierto (Ref. [1]). En el caso del oro, esta riega se realiza con cianuro. En un proyecto donde el proceso de lixiviación está presente, es indefectible la utilización de un estudio muy profundo del propio proceso, de la hidrología, de la superficie, del balance de agua, la ubicación de las instalaciones de almacenamiento de solución, del diseño, de las operaciones, del monitoreo operativo y del cierre de las instalaciones. Estos lineamientos se centran en los avances técnicos actuales y las actividades necesarias para proteger la salud humana y el medio ambiente. En este aspecto, el almacenamiento de la solución post-lixiviación y la estabilidad de la pila de lixiviación son factores importantes, mientras que algunas consideraciones operativas y de diseño metalúrgico tienen una importancia también primaria pero menos significativa a la luz de la conservación ambiental

conjunta. El cianuro es hoy equivocadamente considerado como un factor demoníaco, por eso al encarar estudios relacionados con la lixiviación para la extracción de minerales es inevitable dejar de lado al cianuro en minería, elemento que debemos tener muy en cuenta en el desarrollo de cualquier proyecto de este tipo. 2.2 El Cianuro en la Minería El cianuro permite la efectiva y eficiente extracción del oro. Es uno de los pocos reactivos químicos que disuelve oro en agua y por razones tanto técnicas como económicas es la sustancia seleccionada para recuperar el oro de los minerales. Si bien no existe el riesgo cero en el manejo de este producto, si es posible acotar permanentemente permanentemente la ciencia, como en este caso para lograr un mejoramiento de su utilización para el sostenimiento de la vida en sociedad, como son las que se muestran en la Figura 1, donde la actividad minera no es precisamente quien más utiliza el cianuro. El compromiso de la industria es procurar que el cianuro sea manipulado en forma tan responsable y segura como sea posible en todas las etapas de los procesos productivos. Desde el punto de vista geotécnico, un diseño óptimo y minucioso de una pila de lixiviación asegura que el almacenamiento del cianuro del proceso de lixiviación se de manera efectiva, ya que al asegurar la estabilidad física de toda estructura, aseguramos que no exista ningún tipo de fuga debido a un colapso de la misma (Ref. [2]).

Figura 1.

Uso mundial del cianuro hidrogenado

(2001). 2.3 Pilas de Lixiviación Una pila de lixiviación es una estructura impermeable donde se depositan materiales provenientes de la extracción minera (tajos abiertos o canteras a cielo abierto) para ser sometidos al proceso de lixiviación (Ref. [3]). En forma simplificada es una gran piscina o recipiente donde se coloca el material a ser lixiviado (extraer el





mineral) mediante el riego de un solvente acuoso. La solución acuosa post-lixiviación que por gravedad se infiltra a través del material lixiviado al fondo de la pila de lixiviación es la que contiene el mineral y es extraída a través un sistema de colección de solución que la conduce hacia la planta de procesos (Ref. [4]). La Figura 2 muestra los componentes más relevantes desde el punto de vista geotécnico en este tipo de estructuras. Se observan los siguientes componentes desde el punto de vista geotécnico: Pila o Apilamiento: Material apilado sobre el cual se realiza el proceso metalúrgico de la lixiviación extraído del tajo abierto o cantera de cielo abierto.

El diseño geotécnico de esta instalación debe ir de la mano con el diseño civil y el diseño hidráulico de la estructura (Ref. [5]). 3.1 Diseño Civil Proporciona la altura de la pila de lixiviación que permite definir el tipo y espesor necesarios de geomembrana. Esto se realiza preliminarmente en función a la volumetría requerida de mineral a lixiviar. 3.2 Diseño Hidráulico

Solución Post-Lixiviación: Es la solución acuosa que ha atravesado el material apilado que contiene el mineral (oro en este caso) atrapándolo y transportándolo por gravedad hacia el fondo de la pila de lixiviación y hace las veces de nivel freático colgado.

Proporciona la altura del nivel de solución dentro de la pila de lixiviación. Este nivel debe tener una altura constante, ya que afecta directamente a las propiedades de resistencia de la pila.

Berma Perimetral: Barreras de contención que no permiten que la solución escape por el perímetro de la estructura.

3.3 Diseño Geotécnico

Sistema de Revestimiento: Da la impermeabilidad a toda la estructura, contiene a la solución que se infiltra a través de la pila de lixiviación y garantiza que la misma no prosiga su recorrido hacia el terreno natural donde está cimentada la estructura. Sistema de Colección de Solución: Transporta la solución post-lixiviación almacenada en la pila de lixiviación hacia la planta de procesos. Es un sistema de drenaje que distribuido en toda el área de la estructura que captura la solución y evacuarla.

Figura 2. Esquema de una pila de lixiviación.

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CRITERIOS DE DISEÑO DE UNA PILA DE LIXIVIACIÓN

Una vez conocidos la altura del apilamiento, el tipo de geomembrana a utilizarse, y el nivel de solución, se procede con el diseño geotécnico haciendo uso de la información de la investigación geotécnica de campo y los ensayos de laboratorio. 4

INVESTIGACIONES GEOTÉCNICAS DE CAMPO

Las investigaciones geotécnicas de campo para este tipo de proyecto consisten principalmente en la realización de perforaciones, ensayos penetrométricos, calicatas y búsqueda de canteras;

previamente es necesario un reconocimiento geológico-geotécnico del área en estudio con la finalidad de poder distribuir de manera óptima la ubicación de las perforaciones y las calicatas. Con el mapeo geológico-geotécnico se identifican las potenciales zonas de canteras o de fuentes de





material de préstamo. Las canteras o fuentes de préstamo que deben ubicarse en este tipo de proyectos, son especialmente de material de relleno estructural, material arcilloso y grava de drenaje, estos últimos materiales deben tener aproximadamente valores de permeabilidad menores a 5x10-6cm/s y mayores a 10 -1cm/s, respectivamente. respectivamente. 5

geomembrana elegida puede soportar la carga de confinamiento sin agujerearse en contacto con el material de sobre-revestimiento. En la Figura 3 se presenta una fotografía de una geomembrana ensayada bajo las mismas condiciones que se colocará en el terreno.

ENSAYOS DE LABORATORIO

Los ensayos de laboratorio que se realizan en un estudio de este tipo básicamente se dividen en: ensayos de mecánica de suelos, ensayos de mecánica de rocas y ensayos de geosintéticos. 5.1 Ensayos de Mecánica de Suelos En este tipo de estructuras, además de los ensayos estándares de mecánica de suelos como el de análisis granulométrico por tamizado (ASTM D-5731) y limites de Atterberg (ASTM D-4318) entre otros, es necesario realizar ensayos de compresión triaxial (ASTM D-4767) en el material de la pila, y ensayos de conductividad hidráulica de pared flexible (ASTM D-5084) y pared rígida (ASTM D-2434) en el material arcilloso y en la grava de drenaje, respectivamente, entre los más importantes.

Figura 3. Geomembrana punzonada.

El ensayo de interfase o corte directo a gran escala se realiza para evaluar la resistencia al corte que tiene el contacto geomembrana-suelo. La Figura 4 muestra una foto de un equipo de corte directo a gran escala.

5.2 Ensayos de Mecánica de Rocas Se realizan pruebas de carga puntual en los testigos de roca (ASTM D-5731), para de esta manera poder obtener el valor de la compresión uniaxial indirectamente. Ensayos de compresión simple (ASTM D-2938), propiedades físicas (ASTM C-97– 02) y compresión triaxial (ASTM 2664-95) según lo requiera el proyecto. 5.3 Ensayos de Geosintéticos El sistema de revestimiento es uno de los componentes más importantes de una pila de lixiviación, por esta razón es necesario realizar ensayos en la geomembrana que la conforma; la geomembrana es sometida a ensayos de punzonamiento (ASTM D-4833) y ensayos de interfase o corte directo a gran escala (ASTM D5321). En este tipo de proyectos el ensayo de punzonamiento requerido se realiza para poder conocer de manera cualitativa (prueba de vacío) si la

Figura 4. Equipo de corte directo a gran escala.

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ANALISIS GEOTÉCNICOS

Para poder realizar los análisis geotécnicos propiamente dichos, es menester realizar una caracterización geotécnica de todos los elementos que intervienen en los análisis. 6.1 Caracterización Geotécnica de los Materiales Los materiales que tienen mayor influencia en los análisis geotécnicos son: el material apilado o pila, el sistema de revestimiento y el terreno natural sobre el que se cimentará esta tipo de estructura. El material de la pila y el terreno natural pueden ser caracterizados a través de ensayos de laboratorio, mientras que en el sistema de revestimiento se caracteriza la interfase entre la geomembrana y los





suelos que la contienen (Ref. [6], [7]). Esta caracterización que se realiza en función del ensayo de corte directo a gran escala o ensayo de interfase geomembrana-suelo. La geomembrana se encuentra por lo general embebida entre una capa de material arcilloso y un material gravoso; el material arcilloso sobre el que descansa la geomembrana se le denomina material de baja permeabilidad. El material gravoso tendrá la función de recubrir y proteger la geomembrana y se le denomina material de sobre-revestimiento. La Figura 5 esquematiza un detalle típico de un sistema de revestimiento, donde podemos notar que en realidad existen dos interfases: material de sobrerevestimiento/geomembrana y geomembrana/material de baja permeabilidad. El ensayo de corte directo a gran escala puede realizarse con la configuración mostrada en la Figura 5, o simplemente analizando por separado cada una de las dos interfases. La interfase suelo de baja permeabilidad/geomembrana es la de menor resistencia, resistencia, y por lo general es la que se ensaya.

Una tercera situación puede ocurrir cuando al no tener la posibilidad de colocar material arcilloso ni GCL al sistema de revestimiento, se deberá de proponer una configuración alternativa como muestra la Figura 7, donde el sistema de revestimiento está compuesto de dos geomembranas. En esta configuración podrán existir tres interfases, dependiendo del tipo de geomembrana (si es lisa, simplemente texturada o doblemente texturada), ya que se considera que el material de sobrerevestimiento también es colocado entre las dos capas de geomembrana. Considerando una geomembrana simplemente texturada, las interfases son: material de sobre-revestimiento/geomembrana (lado liso), geomembrana/material de sobrerevestimiento (lado texturado) y geomembrana/material geomembrana/material de sub-rasante. sub-rasante.

Figura 7. Esquema típico de un sistema de doble geomembrana.

Figura 5. Esquema típico de un sistema de revestimiento.

Los ensayos de corte directo a gran escala se hacen en las interfases de la geomembrana/material de subrasante y material de sobrerevestimiento/geomembrana (lado liso).

En el caso que no se cuente con material arcilloso en la zona de proyecto, se puede modificar la configuración del sistema de revestimiento reemplazando el suelo de baja permeabilidad por un GCL (geosynthetic clay liner). La nueva configuración del sistema de revestimiento que se muestra en la Figura 6, estaría compuesta de tres interfases: material de sobrerevestimiento/geomembrana, geomembrana/GCL y GCL/terreno de sub-rasante. Los ensayos de corte directo a gran escala se realizan en las interfases geomembrana/GCL y GCL/terreno de sub-rasante.

Dependiendo de cualquiera de las tres situaciones en que se pueda encontrar el proyecto, el modelamiento geotécnico del sistema de revestimiento es de gran importancia, ya que abarca toda el área de la pila de lixiviación bajo el material apilado. Considerando un mismo tipo de geomembrana, se puede comparar las envolventes de resistencia al corte de cada una de las situaciones descritas. La Figura 8 muestra un diagrama de resistencia al corte versus presión de confinamiento para una geomembrana LLDPE de 1.5 mm de espesor ensayada en todas las situaciones descritas a un desplazamiento de 7.5 cm.

Figura 6. Esquema típico de un sistema de revestimiento con GCL.





6.2 Análisis de Estabilidad de Taludes

Figura 8.

Envolventes de resistencia al corte en geomembrana geomembrana de LLDPE de 1.5mm SST.

El Caso 1 analiza la interacción de la geomembrana con un material arcilloso, considerando su lado texturado. El Caso 2 muestra el comportamiento de la interfase geomembrana/GCL considerando el lado texturado. El Caso 3 modela la interacción entre el lado liso de la geomembrana con el material gravoso de sobre-revestimiento. Otro análisis importante que se debe realizar en la caracterización geotécnica del sistema de revestimiento cuando se tiene GCL, es determinar cuál de las interfases es la más crítica; es decir, se hace una comparación entre las interfases geomembrana/GCL y GCL/material de sub-rasante. La Figura 9 muestra la resistencia al corte del GCL versus la presión de confinamiento considerando un desplazamiento de 7.5 cm; el GCL ensayado está compuesto por dos geotextiles no tejidos de 3.6 kg/cm 2 de densidad.

Los análisis de estabilidad de taludes se realizan considerando fallas de tipo circular y no circulares tanto en condiciones estáticas como en pseudoestáticas (considerando las condiciones sísmicas de la zona) (Ref. [10]). Los factores de seguridad mínimos según la literatura existente (Ref. [5], [11] y [12]), de cada una de estas situaciones se muestran en la Tabla 1 considerando el método de equilibrio límite. En el caso que el factor de seguridad en condición pseudoestática resulte menor a la unidad, deberá ejecutarse un análisis dinámico de desplazamientos. Tabla 1. Factores de Seguridad

Condición

Valor FS

Estática

1.4

Pseudoestática

1.0

Las fallas de tipo circular son aquellas que se consideran que pueden ocurrir a través del material apilado o del terreno natural de la pila de lixiviación, tal como se muestra en la Figura 10.

Figura 10. Falla circular a través de una pila de lixiviación.

La interfase que existe entre la geomembrana y los materiales con la que está en contacto, es una superficie de debilidad que debe ser analizada considerando una superficie de falla no circular, como se ve en la Figura 11.

Figura 9. Envolventes de resistencia al corte GCL.

Cuando se tiene caracterizado geotécnicamente el sistema de revestimiento, se procede a realizar los análisis de estabilidad estabilidad de taludes (Ref. [8], [9]).

Figura 11. Falla no circular a través de la interfase de geomembrana-suelo.







Dependiendo de qué tipo de sistema de revestimiento se tiene, se requerirá modificar la topografía de la pila de lixiviación, ya que a menores valores de resistencia al corte, se necesitará de menores pendientes en la sub-rasante. Tomando en cuenta la Figura 8, el Caso 2 (con GCL) es el que presenta menor resistencia al corte, por lo tanto este tipo de revestimiento tendrá una aplicabilidad en superficies de pilas de lixiviación más planas como se muestra en Figura 12.

de revestimiento no resulte expuesta a deformaciones y solicitaciones mecánicas mayores a las tolerables. La Figura 14 muestra un análisis de deformaciones realizado por elementos finitos.

Figura 14. Deformaciones permanentes en una pila de lixiviación.

Figura 12. Pila de lixiviación con

sub-rasante plana.

La Figura 13 muestra una pila de lixiviación con superficie sub-rasante en media ladera o inclinada. Esta configuración requiere un sistema de revestimiento de mayor resistencia o considerar la construcción de diques de estabilidad o bermas de contención. Basándonos en la Figura 8, el Caso 3 es el sistema de revestimiento que presenta mejores características características de resistencia al corte.

Figura 13.

Pila de lixiviación con sub-rasante inclinada o a media ladera. Si se llega a valores de factores de seguridad holgados (superiores a los mostrados Tabla 1), no es

7 MONITOREO GEOTÉCNICO Durante la investigación geotécnica de campo deberá realizarse una instrumentación geotécnica preliminar, generalmente consistente en piezómetros hidráulicos y en inclinómetros, estos últimos generalmente se instalan cuando hay indicios de una geodinámica externa activa en la zona de estudio. Una vez que se ha construido la pila de lixiviación, deberá de instrumentarse geotécnicamente toda la estructura a modo de monitorearla constantemente. Esta instrumentación deberá estar conformada por prismas topográficos, inclinómetros, piezómetros y acelerógrafos. Finalmente, deberá realizarse un registro constante de la instrumentación, en especial el nivel de solución a través de piezómetros, ya que un aumento de este, implica una modificación en los parámetros geotécnicos de la pila. 8 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES El presente artículo presenta una revisión de los principales aspectos a considerar en el diseño geotécnico de una pila de lixiviación, los cuales comprenden:





o

o

o

o

o

o

9 [1]

Del análisis comparativo de los resultados de los ensayos, podemos decir que el Caso 3 (interfase geomembrana/material gravoso de sobrerevestimiento) es el más resistente al corte, aunque más costoso, ya que considera doble revestimiento de geomembrana. Asimismo, los sistemas de revestimiento que consideran el reemplazo de material arcilloso por GCL, son los de menor resistencia al corte para un mismo tipo de geomembrana. Análisis de las interfases de un sistema de revestimiento con GCL, ya que del mismo se puede determinar que la superficie de contacto crítica es el contacto geomembrana/GCL. Cuando se tiene un sistema de revestimiento con baja resistencia al corte, se deben adoptar menores pendientes de la sub-rasante, caso contrario se debe analizar la posibilidad de construir bermas de contención o de estabilidad al pie del apilamiento. Los sistemas de revestimiento que tienen altas resistencias al corte, pueden utilizarse en pendientes y medias laderas. De las tres alternativas de sistema de revestimiento que se han presentado, cada una lleva a analizar la estabilidad de la pila de manera diferente; comúnmente se considera como sistema de revestimiento convencional el Caso 1 (interfase geomembrana/ material arcilloso). Las deformaciones en la geomembrana no podrán superar las admisibles especificadas. Realizar un monitoreo constante de toda la instrumentación instalada. REFERENCIAS Manrique Martínez, J. A., 2005. Manejo de Pilas de Lixiviación de Oro en Minera

[4]

Thiel, R. S. y Smith, M. E., 2003. State of the the Practice Review of Heap Leach Pad Design Issues. Bi-annual Meeting Geosynthetic Research Institute. Nevada, Estados Unidos.

[5]

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[6]

East, D. R. y Valera, J. E., 2001. Stability Issues Related to Tailings Storage and Heap Leach Facilities. Slope Stability for Surface Mining, pp. 411-418. Colorado, Estados Unidos.

[7] Lupo, J.F., 2005. Heap Leach Facility Liner Design. North American Geosynthetics Society. Colorado. [8]

Breintenbach, Breintenbac h, A. J. y Thiel, R. S., 1999. A tale of Two Conditions: Heap Leach Pad Versus Landfill Liner Strengths. SME Annual Meeting Recorded Sessions. California, Estados Unidos.

[9]

Van Zyl, D., 1987. Geotechnical Aspects of Heap Leach Design. Society for Mining Metallurgy. Colorado, Estados Unidos.

[10] Caldwell, J. A., 2006. Technology Review of Heap Leach Pads. Infomine Inc. Vancouver, Canadá. [11] Breitenbach, Breitenbac h, A.J. y Thiel, R. S., 2005. A Tale of Two Conditions: Heap Leach Pad Versus Landfill Liner Strengths. Proc. GRI-19, Las Vegas, Nevada, Estados Unidos. [12] Boreau of Mining Regulation and Reclamation, 1994. Stability Requirements Heap Leach Pads. Estados Unidos. [13] Castillo, J., Hallman, D., Byrne, P. y Parra, D., 2005. Dynamic Analysis of Heap Leach Pad

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