Servicio Nacional de Geología y Minería Departamento de Seguridad Minera Documento Externo Este trabajo fue efectuado por: Ing. Nelson A. Ramírez Morandé
GUÍA TÉCNICA DE OPERACIÓN Y CONTROL DE DEPÓSITOS DE RELAVES DSM/07/31 de Diciembre 2007
INDICE Pág. 1.-
INTRODUCCION Y ANTECEDENTES GENERALES…………………………. 3
2.-
OBJETIVOS DE LA GUIA………………………………………… GUIA………………………………………………………… ……………… 3
3.-
CONCEPTOS BASICOS Y GENERALIDADES SOBRE LOS RELAVES…… 4
4.-
OPCIONES PARA LA DESCARGA DE LOS RELAVES……….……………… 5
4.1.-
OPCION A: DESCARGA DEL RELAVE COMPLETO ………………………… 5
4.2.-
OPCION B: CONSTRUCCION DEL MURO RESISTENTE CON PARTE DEL RELAVE……………………………………………………………………………. 5
4.3.-
OPCION C: MATERIAL DE RELAVES EQUIVALENTE A UN SUELO HUMEDO…………………………………………………………………………… 5
5.-
EFECTOS DE LA RAZON SÓLIDO/AGUA ( S:A)……………….…………. … 5
6.-
PERMEABILIDAD E INFILTRACION Y DENSIDAD RELATIVA…….………
6
6.1.-
PERMEABILIDAD DE LOS SUELOS……………………………..………… SUELOS……………………………..…………… …
6
6.2.-
DENSIDAD RELATIVA………………………..………………………… RELATIVA………………………..………………………………… ………
7
7.-
DEPOSITOS DE RELAVES……………..……………………… RELAVES……………..……………………………………… ………………
8
7.1.-
TRANQUES DE RELAVES…………………………………… RELAVES……………………………………………………… …………………
8
7.1.1.- CONSTRUCCION DEL MURO METODO AGUAS ARRIBA…………………
8
7.1.2.- CONSTRUCCION DEL MURO METODO AGUAS ABAJO ….……………… 9 7.1.3.- CONSTRUCCION DEL MURO METODO EJE CENTRAL O MIXTO……… 10 7.2.-
EMBALSE DE RELAVES………………………………………… RELAVES………………………………………………………… ……………… 12
7.3.-
DEPOSITOS DE RELAVES ESPESADOS ………………………………… …………………………………… … 12 12
7.4.-
DEPOSITOS DE RELAVES FILTRADOS……………………………………
7.5.-
DEPOSITOS DE RELAVES EN PASTA…………………………… ………… 15 1
15
INDICE Pág. 1.-
INTRODUCCION Y ANTECEDENTES GENERALES…………………………. 3
2.-
OBJETIVOS DE LA GUIA………………………………………… GUIA………………………………………………………… ……………… 3
3.-
CONCEPTOS BASICOS Y GENERALIDADES SOBRE LOS RELAVES…… 4
4.-
OPCIONES PARA LA DESCARGA DE LOS RELAVES……….……………… 5
4.1.-
OPCION A: DESCARGA DEL RELAVE COMPLETO ………………………… 5
4.2.-
OPCION B: CONSTRUCCION DEL MURO RESISTENTE CON PARTE DEL RELAVE……………………………………………………………………………. 5
4.3.-
OPCION C: MATERIAL DE RELAVES EQUIVALENTE A UN SUELO HUMEDO…………………………………………………………………………… 5
5.-
EFECTOS DE LA RAZON SÓLIDO/AGUA ( S:A)……………….…………. … 5
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PERMEABILIDAD E INFILTRACION Y DENSIDAD RELATIVA…….………
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6.1.-
PERMEABILIDAD DE LOS SUELOS……………………………..………… SUELOS……………………………..…………… …
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6.2.-
DENSIDAD RELATIVA………………………..………………………… RELATIVA………………………..………………………………… ………
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DEPOSITOS DE RELAVES……………..……………………… RELAVES……………..……………………………………… ………………
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7.1.-
TRANQUES DE RELAVES…………………………………… RELAVES……………………………………………………… …………………
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7.1.1.- CONSTRUCCION DEL MURO METODO AGUAS ARRIBA…………………
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7.1.2.- CONSTRUCCION DEL MURO METODO AGUAS ABAJO ….……………… 9 7.1.3.- CONSTRUCCION DEL MURO METODO EJE CENTRAL O MIXTO……… 10 7.2.-
EMBALSE DE RELAVES………………………………………… RELAVES………………………………………………………… ……………… 12
7.3.-
DEPOSITOS DE RELAVES ESPESADOS ………………………………… …………………………………… … 12 12
7.4.-
DEPOSITOS DE RELAVES FILTRADOS……………………………………
7.5.-
DEPOSITOS DE RELAVES EN PASTA…………………………… ………… 15 1
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7.6.-
OTROS DEPOSITOS DE RELAVES………………………………………… RELAVES…………………………………………… … 17
8.-
DESCRIPCION DE LOS COMPONENTES PRINCIPALES DE UN DEPOSITO DE RELAVES Y ALGUNOS OTROS CONCEPTOS IMPORTANTES……… 18
9.-
MEDIDAS DE CONTROL OPERACIONAL Y DE MANTENCION EN TRANQUE DE RELAVES ……………………………… …………………………………………………………………… …………………………………… 20
10.-
MEDIDAS QUE DEBEN CONSIDERARSE ENTRE OTRAS AL CIERRE Y POSTERIOR ABANDONO DE UN TRANQUE DE RELAVES……………. 22
11.-
ALGUNOS CONCEPTOS QUE SE DEBEN CONOCER Y RECORDAR…
22
ANEXO A…………………………………… A………………………………………………………………………… ……………………………………
24
ANEXO B…………………………………… B………………………………………………………………………… ……………………………………
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ANEXO C………………………………… C……………………………………………………………………… ……………………………………… …
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ANEXO D………………………………… D……………………………………………………………………… ……………………………………… …
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GUÍA TÉCNICA DE OPERACIÓN Y CONTROL DE DEPÓSITOS DE RELAVES 1.- Introducción y Antecedentes Generales Uno de los temas importantes asociados a las faenas mineras corresponde, a todo aquello relacionado con las obras constructivas de disposición en la superficie de la tierra de los “Depósitos de Relaves”; cuyos residuos que contienen provienen de Plantas de Concentración de minerales por Flotación. Esto se debe a que en la Industria Minera Chilena estos depósitos han ido adquiriendo mayor relevancia, debido principalmente a que las leyes de los minerales en los yacimientos en explotación han disminuido, lo que ha obligado a las empresas mineras, extraer grandes volúmenes de minerales para lograr mantener los niveles de producción de finos, y se han incrementado así, la cantidad de desechos que deben ser dispuestos, ya sea como material estéril o en la forma de pulpas de relaves. Por lo tanto, se hace necesario tener muy presente los riesgos asociados a los pequeños, medianos y grandes depósitos de relaves, en cuanto a los ámbitos técnicos constructivos c onstructivos como los ambientales. Hasta hace algunas décadas atrás era común en Chile y en otros países de tradición minera, deshacerse por ejemplo, de los relaves derivados de las operaciones minerometalúrgicas, arrojándolos en lechos de ríos, lagunas, quebradas, valles o al mar próximo y cuando en las cercanías de alguna faenas mineras no se disponía de estos sectores naturales tan "convenientes", los empresarios mineros solían acumular los relaves en áreas de contención, que amurallaban con terraplenes levantados con los mismos relaves y una vez que se agotaba el yacimiento, estos depósitos quedaban abandonados. Afortunadamente en los tiempos actuales, debido a la regulación legal; tanto técnica como ambiental que nuestro país se ha dado, se hace más difícil librarse de los desechos mineros con sólo hacerlos desaparecer de la vista y gran parte de las reglamentaciones que se imponen al respecto, se refieren en forma específica a la industria minera, además las comunidades también hacen oír hoy su voz con fuerza y claridad sobre los problemas de protección de las personas y el medio ambiente. La normativa vigente que regula todo lo relacionado con los “Depósitos de Residuos Masivos Mineros”, en lo técnico y ambiental exige que se cumplan diversos requerimientos de seguridad, destinados a la protección de las personas y el medio ambiente, por ello todos los esfuerzos que se hagan para establecer criterios a tener en cuenta sobre el control de los riesgos son muy importantes.
2.- Objetivos de la Guía Ésta Guía Técnica de Operación y Control de Depósitos de Relaves, tiene por objetivos: recordar algunos conceptos básicos y generalidades sobre relaves, indicar las distintas opciones de descarga de los relaves y tipos de depósitos de relaves aceptable por la legislación Chilena; entregar algunas sencillas recomendaciones a considerarse sobre 3
la operación y control de depósitos de relaves, destinadas principalmente dichas recomendaciones como ayuda a los pequeños productores mineros que dentro del proceso de sus faenas incluyen a los tranques de relaves; se indican también los distintos componentes y su significado de los depósitos de relaves y principalmente en extenso los de los tranques de relaves; finalmente, se adjuntan en los anexos algunos conceptos básicos de términos geotécnicos, términos de mecánica de suelos, uso de la balanza Marcy, piezometría y análisis granulométricos.
3.- Conceptos Básicos y Generalidades sobre los Relaves Toda planta minera cuyo proceso de concentración es Flotación, produce residuos sólidos que se denominan relaves y que corresponden a una “Suspensión fina de sólidos en líquido”, constituidos fundamentalmente por el mismo material presente insitu en el yacimiento, al cual se le ha extraído la fracción con mineral valioso, conformando una pulpa, que se genera y desecha en las plantas de concentración húmeda de especies minerales y estériles que han experimentado una o varias etapas en circuito de molienda fina; esta "pulpa o lodo de relaves" fluctúa en la práctica con una razón aproximada de agua/sólidos que van del orden de 1:1 a 2:1. Las características y el comportamiento de esta pulpa dependerá de la razón agua/sólidos y también de las características de las partículas sólidas. Esto puede ilustrarse si se consideran los siguientes ejemplos:
Una masa de relaves con un gran contenido de agua escurrirá fácilmente, incluso con pendientes pequeñas. Una masa de relaves con un contenido de agua suficientemente bajo (por ejemplo, relaves filtrados) no escurrirá gravitacionalmente. Si las partículas sólidas son de muy pequeño tamaño (equivalentes a arcillas), se demorarán un gran tiempo en sedimentar, manteniéndose en suspensión y alcanzando grandes distancias respecto al punto de descarga antes de sedimentar. Si las partículas sólidas son de gran tamaño (equivalentes a arenas) sedimentarán rápidamente y se acumularán a corta distancia del punto de descarga.
Las alternativas a utilizar en la depositación de un material de relaves, dependerá de las características de los relaves que produce la planta (cantidad suficiente de material tamaño arena), del costo del agua (si es escasa, se justifican inversiones en equipos para optimizar su recuperación) y, de las características del lugar de emplazamiento del depósito de relaves. Para conseguir estructuras estables con los relaves, deben determinarse sus características, similares a lo que se hace con los suelos (granulometría, densidad relativa, razón de vacíos, relaciones de fase, etc.). Estas determinaciones permiten también evaluar el cumplimiento de las disposiciones legales contenidas en el D.S. Nª248 (2006) “Reglamento para la Aprobación de Proyectos de Diseño, Construcción, Operación y Cierre de Depósitos de Relaves”, del Ministerio de Minería.
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4.- Opciones para la Descarga de los Relaves 4.1.- Opción A: Descarga del Relave Completo Se requiere disponer de un volumen suficientemente grande para permitir almacenar todos los relaves que se producirán durante la vida útil de la planta. Pueden utilizarse cavidades "pre- existentes" como: rajos mineros abandonados, depresiones naturales en superficie, cavernas naturales, antiguas minas subterráneas abandonadas, etc. En cualquiera de estos casos, si bien en el pasado en Chile pudieron darse la posibilidad de ser considerados, hoy debido a la legislación ambiental vigente resulta difícil de ser aceptados por su alta connotación ambiental y deberían realizarse estudios muy completos y detallados para demostrar que no se afectará el medio ambiente. Por esto, para la descarga de relaves completos, resulta técnica y ambientalmente más aceptable construir un muro perimetral con talud interno impermeabilizado hecho con material grueso de empréstito y generar así una cubeta de depositación. Este tipo de depósito de relaves se denomina “Embalses de Relaves” y han sido aceptados como alternativa de depositación de relaves en nuestro país.
4.2.- Opción B: Construcción del Muro Resistente con Parte del Relave Esta opción corresponde a tratar los relaves provenientes de la planta, de manera de separar la fracción gruesa (arenas de relaves) de la fracción fina (lamas), para poder utilizar la primera como material para la construcción del muro perimetral y descargar la segunda a la cubeta de embalse. Al construir el muro utilizando las arenas de los relaves, es posible hacerlo de 3 formas o métodos de crecimiento distintas: Crecimiento del muro hacia “aguas arriba” (no lo contempla la legislación actual en Chile), crecimiento del muro hacia “aguas abajo” y crecimiento del muro según el método llamado “eje central o mixto”. (ver fig. 3). Cualquiera de estos métodos constructivos conforman finalmente a los denominados en Chile “Tranques de Relaves”
4.3.- Opción C: Material de Relaves Equivalente a un Suelo Húmedo Esta opción requiere tratar los relaves provenientes de la planta, de manera de extraerle la mayor cantidad de agua, obteniendo así un material equivalente a un suelo húmedo el cual puede ser depositado sin necesidad de un muro perimetral para su contención. Para este propósito existen distintos métodos: “Espesar los Relaves”, “Filtrar los Relaves” y la alternativa más reciente es la de crear lo que se denomina “Pasta de Relaves”.
5.- Efectos de la Razón Sólido/Agua (S:A) Una pulpa de relaves con suficiente agua se comportará como una suspensión acuosa, cuya viscosidad aumenta si disminuye el agua, hasta que, para contenidos de agua suficientemente bajos se comportará como un lodo espeso y eventualmente, como un suelo húmedo.
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Experimentalmente podemos señalar que:
Si la razón S:A es menor que 50%, la pulpa de relaves se comporta como suspensión acuosa, y escurrirá incluso con pendiente menores al 2% y se produce segregación de las partículas con la distancia al punto de descarga. Si la razón S:A es mayor o igual que 55% la pulpa de relaves comienza a tener comportamiento de un lodo viscoso; disminuye fuertemente la segregación de partículas y se necesitará pendientes mayores al 2% para escurrir.
La siguiente tabla nos indica la pendiente límite que admite un pulpa de relaves para distintas concentraciones de sólidos en peso (pendientes mayores producirán su escurrimiento)
VARIACION DE LA PENDIENTE LIMITE CON LA CONCENTRACIÖN DE SÓLIDOS EN UNA PULPA DE RELAVES Pendiente Límite Porcentaje de Sólido en Peso % % <2 < 50 2-3 55-66 3-5 60-63 4-6 63-65 >6 > 65 6.- Permeabilidad e Infiltración y Densidad Relativa 6.1.- Permeabilidad de los Suelos.Se dice que un material es permeable cuando tiene huecos continuos e interconectados de modo tal que el agua pueda escurrir por ellos. Al movimiento del agua a través del material se le denomina “Infiltración o filtración” y a su medida “Permeabilidad”. La circulación del agua a través del suelo se debe a la diferencia de presión hidrostática entre dos puntos. En forma muy resumida podemos decir que se cumple la relación
ν = k. i Donde ν = es la velocidad de descarga i = es el gradiente hidráulico k = es el coeficiente de permeabilidad. Las unidades en que “k” se expresa, comúnmente son cm/seg.
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Determinando el coeficiente de permeabilidad se puede determinar el volumen de las filtraciones, el que depende del tamaño y granulometría de las partículas gruesas, de la cantidad de finos y de la densidad de la muestra. El coeficiente de permeabilidad varía en un amplio margen para los distintos suelos naturales, desde 102 cm/seg. (permeable) hasta 10-9 cm/seg (impermeable). Los especialistas clasifican los suelos con respecto a la permeabilidad de la siguiente manera: 102
10-2
10 Grava
10-4
Arena
10-6
10-8 cm/seg
Zona de semipermeabilidad Arenas finas y Limos y Arcillas Permeable
Limite
Impermeable
6.2.- Densidad Relativa.El grado de compactación que se requiere para una arena de relave, con el fin de minimizar el riesgo de licuefacción, es expresado en términos de la llamada densidad relativa Dr., la que se define según la siguiente expresión: (emáx - e) Dr = ----------------- x100% (emáx - e mín) Donde
Dr = densidad relativa emáx = relación de vacíos de la arena en la condición más suelta. emáx = relación de vacíos de la arena en la condición más densa.
Otra forma de calcular la densidad relativa es mediante la expresión: ρmáx (ρin situ - ρ mín) Dr = ---------------------------- x100% ρin situ (ρmáx - ρ mín) Siendo
ρmáx = densidad máxima de las arenas ρ mín = densidad mínima de las arenas ρin situ = densidad en el lugar de las arenas
Nota.- Todos los parámetros indicados en las expresiones anteriores se deben determinar a nivel de laboratorio mediante ensayos normalizados. 7
Además, cuando las arenas poseen entre el 10% y de 20% de finos (-200 malla Tyler) las medidas de densidad relativa pueden dejar de ser representativas y es más conveniente la utilización de densidades expresadas como porcentaje de la densidad máxima alcanzada en ensayos de compactación Próctor (estándar y modificado).
7.- Depósitos de Relaves Dentro de la disposición de relaves existen diferentes y variadas formas de depositación de relaves, que dependiendo de diversos factores como son las cercanías al concentrador, capacidad de almacenamiento de relaves, topografía del lugar, producción del yacimiento se deberá seleccionar la forma más apropiada para disponer estos relaves. Atendiendo a lo indicado anteriormente, los distintos tipos de “Depósitos de Relaves” que se consideran en la actualidad en Chile indicados en el “Reglamento para la Aprobación de Proyectos de Diseño, Construcción, Operación y Cierre de Depósitos de Relaves” , son los siguientes:
Tranques de Relaves Embalses de Relaves Depósito de Relaves Espesados Depósito de Relaves Filtrados Depósito de Relaves en Pasta
A continuación se realiza una breve descripción general de estas formas de depositación de relaves.
7.1.- Tranques de Relaves A continuación se describen brevemente las alternativas de construcción del muro de arenas de Los Tranques de Relaves
7.1.1.- Construcción del Muro Método Aguas Arriba El Método Aguas Arriba.- consiste en un muro inicial (starter dam) construido con material de empréstito compactado sobre el cual se inicia la depositación de los relaves, utilizando clasificadores denominados “Hidrociclones”; la fracción más gruesa o arena, se descarga por el flujo inferior del hidrociclón (Underflow) y se deposita junto al muro inicial, mientras la fracción más fina o lamas, que sale por el flujo superior del hidrociclón (Overflow) se deposita hacia el centro del tranque en un punto mas alejado del muro, de modo tal que se va formando una especie de playa al sedimentar las partículas más pesadas de lamas y gran parte del agua escurre, formando el pozo de sedimentación o laguna de sedimentación, la que una vez libre de partículas en suspensión es evacuada mediante un sistema de estructura de descarga, que pueden ser las denominadas torres de evacuación, o bien, se utilizan bombas montadas sobre 8
una balsa flotante. Una vez que el depósito se encuentra próximo a llenarse, se procede al levante del muro, desplazando los hidrociclones a una mayor elevación en la dirección hacia aguas arriba y comenzando una nueva etapa de descarga de arenas, y peralte del muro; se continúa sucesivamente la construcción en la forma indicada. Con este método, en la práctica, se pueden alcanzar alturas de hasta 25 metros (ver figura1). Si bien este método es el que requiere un menor volumen de material arenoso, por lo que ha sido utilizado en la pequeña minería para construir numerosos tranques, es el que produce el tipo de muro menos resistente frente a oscilaciones sísmicas, es por ello que en la actualidad en Chile, no está contemplado aprobar este tipo de proyecto de tranques de relaves en la legislación vigente.
LAGUNA ARENAS LAMAS
MURO DE PARTIDA
METODO DE AGUAS ARRIBA
Figura 1: Método de aguas arriba.
7.1.2.- Construcción del Muro Método Aguas Abajo El Método Aguas Abajo.- La construcción se inicia también con un muro de partida de material de empréstito compactado desde el cual se vacía la arena cicloneada hacia el lado del talud aguas abajo de este muro y las lamas se depositan hacia el talud aguas arriba. Cuando el muro se ha peraltado lo suficiente, usualmente 2 a 4 m., se efectúa el levante del muro, desplazando los hidrociclones a una mayor elevación en la dirección hacia aguas abajo y comenzando una nueva etapa de descarga de arenas y peralte del muro. A veces se dispone también de un segundo muro pre-existente aguas abajo (ver fig.2). Las arenas se pueden disponer en capas inclinadas, según el manteo del talud del muro de partida, o bien, disponerlas en capas horizontales hacia aguas abajo del muro de partida. Este método de aguas abajo requiere disponer de un gran volumen de arenas y permite lograr muros resistentes más estables del punto de vista de la resistencia sísmica. 9
Figura 2: Método Aguas Abajo (capas de arenas inclinadas)
7.1.3.- Construcción del Muro Método Eje Central o Mixto El Método Eje Central o Mixto.- se inicia al igual que los métodos anteriores con un muro de partida de material de empréstito compactado, sobre el cual se depositan las arenas cicloneadas hacia el lado de aguas abajo y las lamas hacia el lado de aguas arriba. Una vez completado el vaciado de arenas y lamas correspondiente al muro inicial, se eleva la línea de alimentación de arenas y lamas, siguiendo el mismo plano vertical inicial de la berma de coronamiento del muro de partida. Lo que permite lograr un muro de arenas cuyo eje se mantiene en el mismo plano vertical, cuyo talud de aguas arriba es más o menos vertical, y cuyo talud de aguas abajo puede tener la inclinación que el diseño considera adecuada. Este método requiere disponer de un volumen de arenas intermedio entre los 2 métodos anteriores, y permite lograr muros suficientemente estables. Estos métodos constructivos del muro de arenas de los Tranques de Relaves mencionados anteriormente son sobradamente conocidos en Chile, siendo los métodos de aguas abajo y eje central los que contempla hoy nuestra legislación en los proyectos de Tranques de Relaves que se presentan al Servicio Nacional de Geología (SERNAGEOMIN) para su aprobación. La inseguridad que muchas veces despiertan los tranques de arenas de relave no deben atribuirse al material con que se construyen, sino al sistema de construcción por relleno hidráulico que puede inducir elevadas presiones de poros e incluso la licuefacción total en caso de un sismo. Sin embargo, las técnicas modernas de diseño, construcción y control permiten obtener estructuras seguras a base de buenos sistemas de drenaje, de un eficiente sistema de ciclonaje y disposición de las arenas, y también 10
de una buena compactación de la arena que permita alcanzar una elevada densidad, utilizando un equipo adecuado para ello. Lo anterior, complementado con un control piezométrico en el cuerpo del prisma resistente, deja al tranque de arenas de relave en condiciones de estabilidad semejante al de otras obras de Ingeniería de Importancia.
Figura 3.- Métodos Constructivos del Muro de Arenas de Tranques de Relaves 11
7.2 Embalses de Relaves Este tipo de depósito de relaves consiste en construir un muro resistente hecho totalmente de material de empréstito, compactado e impermeabilizando el talud interior del muro y también parte o todo su coronamiento; los relaves se depositan completos en la cubeta sin necesidad de clasificación, pero también deben disponer, de un sistema de evacuación de las aguas claras de la laguna que se forma. Los embalses de relaves no se diferencian esencialmente de las presas de embalse de aguas, las que constituyen una técnica ampliamente desarrollada en todo el mundo. Es interesante destacar, no obstante, que las técnicas de diseño evolucionan con gran rapidez y cada día se descubren nuevos métodos. Tal vez, la diferencia fundamental entre un embalse destinado a la acumulación de agua y uno destinado a relaves es que mientras el embalse para agua se construye de una vez con su capacidad definitiva, el embalse para relaves se puede ejecutar por etapas a medida que se avanza con el depósito de los relaves, a fin de no anticipar inversiones y reducir a un mínimo su valor presente. La construcción por etapas obliga a que la zona impermeable de la presa se diseñe como una membrana inclinada cercana y en la dirección del talud de aguas arriba. Un perfil como éste, limita los grados de libertad en el diseño de las presas de tierra, cuando están destinadas a contener relaves (Ver Figura 4).
Figura 4: Muro construido con material de empréstito Del punto de vista sísmico, los Embalses de Relaves son más resistente que cualquiera de los métodos indicados para los Tranques de Relaves.
7.3 Depósitos de Relaves Espesados El Ingeniero canadiense Eli I. Robinsky ha desarrollado un sistema de depósito que no requiere de un dique o muro contenedor para su construcción. El procedimiento se basa en la mayor viscosidad que alcanza la pulpa de relave al aumentar la concentración de sólidos. El autor propone una curva en que relaciona el ángulo de reposo del relave con el contenido de sólidos de la pulpa. Para concentración del orden de 53% en peso, la pendiente de reposo es del 2% y ésta aumenta hasta un 6% sí la concentración sube a 12
65%. De esta manera pueden disponerse los relaves en forma de un cono cuya pendiente será la que corresponde a la respectiva concentración de sólidos. Si se trata, por ejemplo, de depositar relaves en un valle plano desde la ladera que limita dicho valle, se puede iniciar el depósito desde pequeña altura con una pulpa relativamente diluida para luego elevar el punto de descarga simultáneamente con un aumento de la concentración a fin de disponer para las capas siguientes de una pendiente mas pronunciada. El punto de descarga puede luego ser desplazado lateralmente con el objeto de formar un depósito de base ovoidal. No obstante que este tipo de depósito no requiere la construcción de un dique para limitar el área comprometida, se recomienda la construcción de un pequeño terraplén algo alejado del borde exterior del depósito, el cual sirve para contener un volumen para el depósito del agua desalojada por el relave, la cual es captada por un vertedero u otro dispositivo para ser bombeada y recirculada. Este pequeño terraplén sirve a la vez para colectar las aguas lluvias y conducirlas hacia cauces naturales. Otro principio básico de este tipo de depósito se deriva de la diferencia en lo que a segregación del material se refiere, entre una pulpa diluida y otra concentrada. En efecto, si la concentración de sólidos es baja, el escurrimiento de la pulpa produce una segregación de materiales, depositándose en primer lugar los granos mayores y a continuación y separadamente, los más finos. Es el fenómeno usual en el depósito de lamas en un tranque y más aún el que ocurre en los tranques construidos por el método de aguas arriba. Si por el contrario, la pulpa es concentrada (del orden del 50% o más), la pulpa escurre como un todo sin ocasionar segregación. Es el caso que ocurre con el escurrimiento de relaves por tuberías, en que es conveniente evitar la segregación mediante el uso de concentraciones del orden del 50% ya que con el uso de pulpas más diluidas, los granos gruesos se separan y ruedan por el fondo aumentando la abrasión de la tubería, según el autor, en un escurrimiento libre ocurre el mismo fenómeno, y al evitarse la segregación se obtiene una mayor densidad que impide que el relave depositado sea erosionado por el agua desalojada por el propio relave, por las aguas lluvias o por el viento. El procedimiento propuesto por Robinsky resulta aparentemente muy atractivo especialmente en aquellos casos en que la topografía es favorable. La relativa baja altura de los depósitos al tener estos una pendiente máxima del tipo 6%, ocupan grandes extensiones relativamente planas o de poca inclinación. Existen sin embargo algunas interrogantes que no están claramente especificados por su autor. En efecto, la obtención de concentraciones de pulpa tan alta como 65% de sólidos es un problema que el autor no ha explicado como se puede obtener. Solamente ha sugerido en forma general, que podrían usarse espesadores cónicos profundos, métodos centrífugos y de filtración y vacío. Por otra parte, si las pulpas así concentradas tienen un ángulo de reposo de 6%, su escurrimiento por tubería desde el concentrador hasta el vértice del cono, implica una pérdida de carga hidráulica superior a dicho 6% en forma que una conducción, por ejemplo, a 2 Km., significaría una perdida de energía del orden de 150 m, lo que resultaría muy costoso si el relave debe ser bombeado. No siempre es posible la instalación del espesador junto al vértice del depósito. 13
En resumen el método de depositación de relaves espesados es una posibilidad muy interesante que merece ser investigada en profundidad para resolver los interrogantes que se plantean. Es posible que puedan ser utilizados en forma experimental con un grado de espesamiento del orden de 53% de sólidos el que puede ser alcanzado por métodos corrientes, usando para el depósito un terreno casi horizontal ya que el talud de reposo del relave así espesado sería del tipo 2%.
Fig. 5a
Fig. 5b
Fig. 5c Figura 5: Disposición de Relaves Espesados (Método Robinsky) 14
7.4 Depósitos de Relaves Filtrados Este tipo de depósitos de relaves es muy similar al de los relaves espesados, con la diferencia de que el material contiene menos agua debido al proceso de filtrado utilizando equipos similares a los que se emplean para filtrar concentrados, como son los filtros de prensa o de vacío. El relave una vez filtrado se transporta al lugar de depósito mediante cintas transportadoras o bien mediante equipos de movimiento de tierra y/o camiones. En el primer caso, se logra un domo de material similar al método de Robinsky; mientras que en el segundo caso se utiliza el equipo de movimiento de tierras para ir construyendo módulos de material compactado, los cuales permiten conformar un depósito aterrazado de gran volumen. Es importante señalar que en este método, aunque el contenido de humedad que se logra (20% a 30%) permite su manejo con equipos de movimiento de tierra, es suficientemente alto como para tener un relleno prácticamente saturado, por lo que es posible que se produzcan infiltraciones importantes de las aguas contenidas en estos relaves si el suelo de fundación es relativamente permeable. También es necesario señalar que la presencia de algunas arcillas, yeso, etc. en los materiales de relaves pueden reducir significativamente la eficiencia de filtrado.
Depósito de Relaves Filtrados
7.5 Depósitos de Relaves en Pasta Los relaves en pasta corresponden a una mezcla de agua con sólido, que contiene abundante partículas finas y un bajo contenido de agua, de modo que esta mezcla tenga una consistencia espesa, similar a una pulpa de alta densidad. Una buena pasta de relaves requiere tener al menos un 15% de concentración en peso de partículas de tamaño menor a 20 micrones. La mejor propiedad de las pastas de relaves es que pueden ser eficientemente trasportadas en tuberías sin los problemas de segregación o sedimentación que ocurren normalmente en las pulpas de relaves y permiten una gran flexibilidad en el desarrollo del concepto del sitio de emplazamiento; 15
una vez depositados los relaves, se dejan secar, luego acopiar, minimizar la superficie de suelo cubierto con relaves.
permitiendo así
La consistencia alcanzada permite que una pasta permanezca estable aún cuando esté varias horas sin moverse. La pasta puede formarse a partir de una gran variabilidad de componentes como cuarzo,feldespato, arcillas, micas y sales Es posible producir materiales con la consistencia de pasta a partir de un amplio rango de concentración de sólidos en peso y sobre la base de la variación de la distribución de tamaño de las partículas. Es decir, la producción de pasta es específica para cada tipo de material. Cuando se dispone pasta de relaves en superficie, una muy pequeña fracción de agua podrá drenar o infiltrarse, ya que la mayor parte de la humedad es retenida en la pasta debido a la tensión superficial de la matriz de suelo fino La flexibilidad que permiten las pastas en cuanto al desarrollo del lugar de emplazamiento del depósito, puede ser extendida al uso de técnicas de construcción aguas arriba, donde las consideraciones de diseño antisísmicos de otra manera sería prohibida. Con la alternativa de pasta no se requiere una solución tipo embalse. Para faenas de pequeña escala, la pasta puede ser transportada en camiones desde las instalaciones de operación y descargadas en el lugar de disposición final. Una vez depositada, se deja secar y se puede acopiar. Esta forma de acumular, permite minimizar la superficie de suelo cubierto con relaves, realizar un cierre progresivo y al cese de operaciones, el depósito puede ser dejado sin requerir medidas adicionales de cierre. Para faenas de mayor tamaño, por economía de escala para el manejo de materiales, el sistema considera el uso de bombas o cintas transportadoras hasta un repartidor que realiza la disposición final. Cabe destacar que debido a su alta densidad, las pastas son transportadas mediante el uso de bombas de desplazamiento positivo. i) En los depósitos de relaves en pasta se reducen significativamente lo siguiente: La necesidad de diseñar y construir grandes depósitos. El volumen de materiales involucrados en la construcción de depósitos. Los riesgos de falla geomecánica asociados a los tranques convencionales. Los riesgos de generación de aguas ácidas y lixiviación de metales. El manejo del volumen de agua clara. Las pérdidas de agua por infiltración y evaporación. La superficie de suelo para disponer los relaves, optimizando el uso del suelo. La emisión de material particulado. ii) En los depósitos de relaves en pasta se incrementa significativamente lo siguiente: La recuperación de aguas desde los relaves La aceptación ambiental de la comunidad. La posibilidad de co-depositar junto a otros residuos mineros (estériles o lastre) La flexibilidad operacional. 16
iii) Además:
Se pueden desarrollar actividades de vegetación o de remediación en forma paralela a la operación. Permite la encapsulación de contaminantes en el depósito
Depósito de Relaves en Pasta
7.6.- Otros Depósitos de Relaves Nota: A continuación se mencionan otros tipos de Depósitos de Relaves que en otros países son factibles de desarrollar. Sin embargo, en Chile en la actualidad existen grandes restricciones de las autoridades competentes; del punto de vista legal, de la Seguridad de la Personas y del Medio Ambiente, para otorgar permisos a los proyectos que pudieren presentarse, de modo tal que no los contempla nuestra legislación, aunque se debe reconocer que en el pasado se realizaron proyectos en Chile que utilizaron las técnicas de Depósitos de Relaves que nombraremos a continuación: A) Depósitos en Minas Subterráneas en Explotación B) Depósitos en Minas Subterráneas Abandonadas C) Depósitos en Minas Explotadas a Cielo Abierto D) Depósitos Relaves Radiactivos E) Depósitos costeros F) Depósitos submarinos 17
8.- Descripción de los Componentes Principales de un Depósito de Relaves y Algunos Otros Conceptos Importantes Cubeta.- Corresponde al volumen físico disponible donde de depositan las lamas (finos) y gran parte del agua de los relaves de tal modo que se forma en ella la laguna de aguas claras debido a la sedimentación de las partículas finas. La cubeta es la componente más importante en relación con la vida útil del depósito. Muro o Prisma Perimetral o Prisma Resistente.- Este muro delimita la cubeta y permite contener los residuos que en ella se descargan. Por lo tanto, el muro perimetral generalmente es la componente más importante en lo que dice relación con la estabilidad o grado de seguridad del depósito. En los tranques de relaves este muro se va construyendo con el material grueso (arenas) de los relaves a lo largo de la vida útil del depósito. Sistema de Descarga y/o Clasificación y Selección de los Relaves.- El sistema de descarga de residuos mineros permite depositar estos en la cubeta, por lo que una falla de este sistema se traduce en la detención de la operación eficiente del depósito. Además, muchas veces, este sistema se utiliza también para clasificar y seleccionar los residuos, de modo de utilizar parte de los mismos como material para la construcción del muro perimetral (uso de ciclones) Zona de descarga de los Residuos o Zona de Playa .- La zona donde se descargan los residuos a la cubeta se le llama zona de playa porque usualmente está seca en la superficie y se asemeja a una playa de arenas finas. Es la parte del depósito de relaves o lamas situada en las cercanías de la línea de vaciado, esta playa de forma junto al prisma resistente. Poza de Aguas Claras o Laguna de Decantación.- Corresponde a la laguna de aguas clarificadas que se forma en la cubeta debido a la sedimentación o decantación de las partículas sólidas. Esta poza permite la recuperación de aguas y al mismo tiempo la evacuación de estas desde la cubeta. Esta laguna debe mantenerse lo mas alejada posible del muro de arenas o prisma resistente y su evacuación debe hacerse siempre para no disminuir el grado de estabilidad del muro. Sistema de Recuperación de Aguas.- El sistema de recuperación de aguas permite devolver a la planta, las aguas claras que se han recuperado desde la poza o laguna de aguas clara, mediante bombeo desde balsas y/o descargas de torres de evacuación o decantación que son obras destinadas a la descarga gravitacional de las aguas claras desde la poza de decantación de un tranque o embalse de relaves. Sistema de Drenaje.- Es el sistema (por ejemplo dedos o lechos drenantes) utilizado para deprimir al máximo el nivel freático en el interior del cuerpo del muro, usualmente protegido por filtros para evitar que el flujo de aguas arrastre las partículas finas y produzca la colmatación del sistema.
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Sistema de Impermeabilización de la Cubeta.- Si los relaves en la cubeta contienen sustancias tóxicas debe evitarse la infiltración de aguas al subsuelo, ya que estas podrían provocar la contaminación de los recursos de aguas subterráneas y/o de superficie de la zona de emplazamiento del depósito. En este caso, es preciso que se disponga de un sistema de impermeabilización del piso y paredes de la cubeta, usualmente construido en base a una serie de "estratos" impermeables y "permeables-drenantes" Canales de Desvío.- Son las zanjas construidas o túneles construidos en las laderas para captar y desviar las escorrentías superficiales, impidiendo su ingreso a la cubeta del tranque o embalse de relaves. Berma de Coronamiento.- Es la faja horizontal de mayor cota del talud externo del prisma resistente o muro de contención. Revancha.- Es la diferencia de cota entre la línea de coronamiento y la superficie inmediatamente vecina de la fracción aguas adentro del tranque, generalmente lamosa o de arena muy fina. Se denomina como revancha mínima al desnivel entre el coronamiento del prisma resistente y el punto más alto de las lamas; y se denomina revancha máxima al desnivel entre el coronamiento y la superficie de la poza de decantación. Nivel Freático.- Es la cota de los puntos en que el agua de poros tiene presión nula. Muro de Partida o Muro Inicial.- Muro construido con material grueso de empréstito al inicio del depósito de relaves. En los sistemas constructivos del muro resistente de aguas abajo y eje central, las arenas se vacían hacia aguas abajo del muro inicial y las lamas hacia aguas arriba. La altura del muro de partida queda determinada por el avance en altura del prisma de arenas, en relación al avance en altura del nivel de lamas. El muro inicial debe permitir mantener una revancha mínima a lo largo del período de operación del tranque. Muro de Pié.- Es el que se construye, generalmente de enrocados en el extremo de aguas abajo del prisma resistente en los métodos constructivos de eje central y de aguas abajo. Este muro tiene por objeto dar un límite físico al muro de arenas y evitar el escape de material fuera de la traza del prisma. Muro de Cola.- Se suele construir para limitar el depósito por el extremo de aguas arriba. Puede construirse de tierra o por alguno de los sistemas de construcción empleados para el muro resistente. Licuefacción.- Perdida total de la resistencia al corte de un suelo saturado por incremento de la presión de poros. El caso más frecuente de licuefacción ocurre por acción sísmica sobre materiales areno-limosos saturados. Los relaves saturados son altamente susceptibles a licuefacción sísmica, en especial, si la permeabilidad y densidad son bajas. Es el fenómeno más preocupante que ocurra en un tranque de relaves. 19
Piezometría .- Es el sistema de control de las presiones hidrostáticas en el interior del prisma resistente para detectar la presencia de sectores saturados. Los instrumentos utilizados se llaman piezómetros y con ellos se detecta el nivel freático del subsuelo. Vertederos de emergencia.- Son vertederos de umbral variable destinados a evacuar el exceso de aguas acumuladas en la cubeta de un tranque al crecer la laguna de decantación por lluvias intensas. 9.- Medidas de Control Operacional y de Mantención en Tranques de Relaves
A continuación se recomiendan una serie de medidas que deben tenerse presente principalmente por los operadores de la pequeña y mediana minería en el control operacional y mantención de los depósitos tranques de relaves. Estas medidas constituyen el principal objetivo de esta guía. Se deben realizar periódicamente controles de la densidad in-situ en el muro de arenas y determinar de la densidad relativa (las muestras se deben tomar a 1/3 y 2/3 de la altura total del muro) Estas medidas son importante porque indican en cierta medida, el grado de compactación con que cuenta el muro de arenas en la operación. Controlar el nivel freático con piezómetros en el muro de arenas, comparar la cota que se obtiene de este nivel, con la cota del nivel del coronamiento del muro de partida impermeabilizado. El nivel freático debe ser más bajo que dicha cota, esto tiene gran relevancia especialmente en aquellos tranques que no cuentan con un buen sistema de drenaje en el muro de arenas. Cuando el nivel freático es alto, se debe proceder rápidamente a bajarlo, evacuando el agua clara de la laguna en la cubeta. Es importante además medir el nivel freático en algunos puntos aguas abajo del tranque y mantener una estadística gráfica con los datos obtenidos. Establecer un control periódico de la granulometría de las arenas de relave. Un aumento repentino y significativo del % de finos compromete las condiciones de seguridad de la obra (formación de bolsones saturados y superficies localizadas menos resistentes al corte). La exigencia actual del contenido de finos en las arenas de relave de los muros de contención en los tranques de relaves, es que debe estar constituida por no más de un 20% de partículas menores de 200 mallas (74 micrones) Las partículas de las arenas de los relaves son muy angulares y heterogéneas, lo cual es favorable del punto de vista de la estabilidad ya que ayuda a lograr una buena compactación, pues las partículas en dicha operación de compactación, se traban unas con otra de modo que se necesitan grandes esfuerzos de corte para romper este entrabamiento. Se debe medir el % de sólidos en peso de la pulpa de relaves, el cual debe mantenerse en un rango no tan alto para que se permita un buen escurrimiento de esta pulpa por la tubería de transporte, evitando su embancamiento, y tampoco muy bajo para no saturar rápidamente de aguas la cubeta. (un rango bien aceptado en la práctica es entre 35% a 45%) 20
Mantener una buena revancha con el fin de evitar posibles escurrimientos de agua a través del muro de arenas produciéndose así su erosión. Se deben verificar periódicamente el ángulo de talud operacional comprometido en el proyecto y el ancho del coronamiento del muro de arenas. Este último en la actualidad se exige como mínimo de 2 metros. Controlar periódicamente el nivel y posición de la laguna de aguas claras, la cual debe mantenerse siempre lo más alejada posible del muro de arenas en los casos de tranques de relaves, con el fin de evitar humectar demasiado el muro y que se sature de agua, trayendo el consecuente aumento de la presión de poros entre las partículas y el eventual colapso. Mantener siempre operativas las torres colectoras o bien las balsas con las bombas de impulsión, para la evacuación de las aguas de la laguna de clarificación asegurándose así la continuidad de esta operación. Verificar en forma periódica el estado de las tuberías de conducción de los relaves y también las válvulas y bombas de impulsión de la pulpa de relaves. Además, se debe programar con antelación el traslado de las tuberías a las posiciones de descarga siguientes. Una medida importante a tener presente en la construcción en los muros de algunos tranque es la de evitar conformar esquinas en ángulo recto ya que constituyen uno de los puntos estructuralmente más débiles frente a las solicitaciones sísmicas, debido a bajo confinamiento. Es por ello aconsejable establecer uniones redondeadas. Es muy importante en un tranque de relaves en operación, mantener la práctica de compactar el talud exterior a lo largo del muro de arenas, usando equipos adecuados como por ejemplo rodillos lisos vibratorios, tractores o bulldozer pesados. Esto se hace con el fin de mantener una compactación adecuada del muro, ayudando así a una mejor estabilidad sísmica de la obra. Cuando la compactación es deficiente, los tranques de relaves tienen mayor probabilidad de colapsar frente a una solicitación sísmica significativa. Es por ello que la operación de compactación en el muro resistente debe hacerse en forma regular junto con todas aquellas otras medidas que tienen incidencia con la estabilidad del tranque. Durante la operación se deben reparar todas las fisuras o grietas que se pudieren producir, pues si no son cerradas dejan puntos débiles sobre los cuales al ser tapados con material de relaves, la compactación posterior no será eficiente en dichos sectores. Cuando durante la operación de un tranque de relaves no hay suficiente arenas de una calidad adecuada, es conveniente considerar agregar una o más capas intermedias de material de empréstitos bien compactado, para continuar la construcción del muro resistente y así se tendrá una mejor estabilidad física. Es importante mantener despejados los muros de arenas de cualquier objeto extraño puesto que los relaves sedimentan a la altura de los obstáculos que encuentran en el trayecto. Los operadores de los depósitos de relaves deben tener, claro conocimiento, del Manual de Emergencia del depósito de relaves, con que obligatoriamente debe contar la Empresa, de modo que les permita enfrentar en forma exitosa las situaciones adversas, climáticas, hidrológicas, sísmicas, volcánicas o falla del 21
sistema de captación de aguas claras o situaciones de emergencias de otra naturaleza que pudieren presentarse. Si la causa de la emergencia se debe a fenómenos naturales extremos imprevistos, como sismos, nevazones, lluvias intensas, erupciones volcánicas u otros, que impidan una normal operación o pongan en peligro la vida de las personas o el medio ambiente, deberán suspenderse las operaciones de depositación de relaves, hasta que las condiciones de seguridad del depósito se restablezcan. En caso de precipitación de nieve o granizo sobre el prisma resistente y en que, a la vez, se produzca la posibilidad de que debido a bajas temperaturas puedan intercalarse capas de agua a estado sólido, que puedan crear planos de falla en el muro, deberá paralizarse la depositación de arenas en el muro, hasta que pase la situación de riesgo.
10.- Medidas que deben considerarse entre otras al Cierre y Posterior Abandono de un Tranque de Relaves
Desmantelamiento de las instalaciones (ductos de relaves, bombas, hidrociclones, líneas eléctricas, muelles de acceso). Secado de la laguna de aguas claras. Dejar operativos los canales perimetrales interceptores de aguas de laderas. Mantención del sistema de evacuación de aguas lluvias. Estabilización de taludes (considerando máximo sismo probable de ocurrencia en la zona de emplazamiento). Cercado en torno a las torres colectoras y en algunos casos se justifica el sellado de estas torres. Instalación de cierres de acceso al lugar donde se encuentran los relaves. Instalación de señalizaciones preventivas. Instalación de cortavientos. Habilitación de vertederos de seguridad (diseñado considerando el evento de máxima crecida probable). Compactación de la berma de coronamiento. Recubrimiento con material adecuado para evitar la erosión eólica o también para posibilitar la forestación del tranque en aquellos lugares en donde es factible hacerlo.
11.- Algunos conceptos que se deben conocer y recordar:
Un buen diseño y una buena operación de un depósito de relaves desde su inicio los transformará en obras amigable con el medio ambiente. Los depósitos de relaves son formas geológicas artificiales que deben permanecer en el tiempo y por ello no se debe escatimar en esfuerzos para garantizar la seguridad de las personas y el medio ambiente.
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Todo plan de abandono de un depósito de relaves debe tener como objetivos los siguientes conceptos: Estabilidad Física, Estabilidad Química y uso posterior del suelo. En la construcción de un tranque de relaves es obligatorio considerar una buena impermeabilización del muro de partida para evitar infiltraciones en la base del muro de arenas y ayudar así a la estabilidad de éste. Es importante tener presente en el diseño del muro de arenas que en el caso de un sismo en el coronamiento del muro se pueden producir aceleraciones del orden de un 40% - 50% mayores que en la base, de allí la importancia de tener siempre una buena compactación del muro. Los tranques de relaves tienen una mayor probabilidad de colapsar cuando la compactación del muro resistente es deficiente. Las aceleraciones sísmicas pueden producir un mecanismo de cuña deslizante en los muros y también producir zonas de licuefacción. Los taludes pueden fallar por inestabilidad a causa de: - El peso que tiende a deslizar el talud por mala compactación. - Erupción volcánica. - Nieve al derretirse. - Hielo fundido. - Sismos. - Crecida de un río cercano. Con la construcción de los Depósitos de Relaves se protege el medio ambiente, al desecharlos en estas obras adecuadas, recuperando el agua que en algunos sectores es prioritario hacerlo y además (en algunos casos) existe una buena potencialidad futura de retratamiento de estos materiales.
A continuación se incluyen algunos anexos que incluyen datos técnicos específicos existentes en la literatura que son de utilidad en el tema de Depósitos de Relaves.
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ANEXO A Clasificación de los Suelos El Sistema Unificado de Clasificación de Suelos S.U.C.S es aplicable en la practica a los materiales sólidos de relaves, el cual considera el tamaño de las partículas: la granulometria predominante según las mallas A.S.T.M. y características de los finos. Conforme a este sistema, existen 2 grandes grupos o clases de suelos:
1) Suelos Gruesos.- Caracterizados porque más del 50% de sus partículas (% en peso) quedan retenidas por la malla A.S.T.M. Nº200 ( # 200). En otras palabras, la “fracción gruesa” corresponde a más del 50% del peso seco total del suelo. 2) Suelos Finos.- Caracterizados porque más del 50% de sus partículas (% en peso) pasan por la malla A.S.T.M. Nº200 ( # 200). En otras palabras, la “fracción fina” corresponde a más del 50% del peso seco total del suelo. Estos dos grupos se subdividen a su vez en 4 subgrupos característicos:
1º) Gravas (G) Son suelos en que más del 50% de sus partículas (en peso) quedan retenidas por la malla # 200; y de esta “fracción gruesa”, más del 50% es retenido por la malla # 4 2º) Arenas (S) Son suelos en que más del 50% de sus partículas (en peso) quedan retenidas por la malla # 200; y de esta “fracción gruesa”, menos del 50% es retenido por la malla # 4 3º) Limos (M) Son suelos en que más del 50% de sus partículas (en peso) pasan por la malla # 200; y esta “fracción fina” tiene un límite líquido menor que 50. 4º) Arcillas (C) Son suelos en que más del 50% de sus partículas (en peso) pasan por la malla # 200; y esta “fracción fina” tiene un límite líquido mayor que 50. Nota: El límite líquido corresponde a la frontera convencional entre los estados semilíquido y plástico, de acuerdo a la definición de Atterberg.
Conceptos Básicos de Geotecnia y Mecánica de Suelos Relaciones Volumétricas y Gravimétricas En estado natural los suelos son sistemas de tres fases que consisten en sólidos, agua y aire como se esquematiza en la figura
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__
_________________________ º .. º o º º º º º º º Va º º ºo-.o º º º ºº º . -º º º º o º º º º . . Wa ~ 0 ºoo º º ºo º o Vv _________________________ _- _-- _ -- __-- ___ ___ ----V Vw --- _-_--- --- …---Ww -- _--- _ --_ …. --- _-_--- --- …--- __ _________________________ Vs
W
Ws _________________________
Figura 1.- Esquema de una Muestra de Suelo El volumen total de una muestra de suelo viene dada por: V = Vs + Vv = Vs + Vw + Va Donde Vs = volumen de sólido de suelo Vv = volumen de vacíos Vw = volumen de agua en los vacíos Va = volumen de aire en los vacíos Ws = peso de sólido de suelo Ww = peso de agua en los vacíos Suponiendo que el peso del aire es despreciable, podemos dar el peso de la muestra como W = Ws + Ww Donde Ws = peso de los sólidos del suelo. Ww = peso del agua. Las relaciones volumétricas comúnmente usadas para las tres fases en un elemento de suelo son “la relación de vacíos, porosidad y grado de saturación” 25
La Relación de Vacíos (e) .- se define como la razón del volumen de vacíos al volumen de sólidos Vv e = ----Vs
La Porosidad (n).- se define como la razón del volumen de vacíos al volumen total. Vv n = ----V
El grado de Saturación (S).- se define como la razón del volumen de agua al volumen de vacíos. Vw S = ----Vv Nota: normalmente estas relaciones se expresan en porcentaje, para ello basta multiplicar las razones anteriores por 100%
Es fácil deducir la relación existente entre la relación de vacíos y la porosidad Vv Vv Vv/V n e = ----- = -------------- = --------------- = --------------Vs V - Vv V/V – Vv/V 1 - n Despejando n se tiene
e n = --------1 + e
Las Relaciones Gravimétricas comunes son “el contenido de humedad y el peso específico” El contenido de humedad (w) se llama también contenido de agua.- se define como la relación del peso de agua entre el peso de sólidos en un volumen dado de suelo. Generalmente se expresa también en porcentaje. Ww w = ---------Ws 26
El Peso Específico ( ).- es el peso de suelo por volumen unitario W γ = -------V El peso específico se expresa también en términos del peso del sólido del suelo, contenido de agua y volumen total γ
W Ws + Ww Ws (1 + Ww / Ws) Ws (1 + w) = ----- = -------------= ----------------= --------------V V V V
El Peso Específico Seco ( volumen unitario Ws γd = ---------V
d
).- es el peso de suelo del suelo excluida el agua por
Densidad del Suelo (ρ).- es la masa total de la muestra total del suelo por unidad de volumen m ρ = ---------V Donde
ρ = densidad del suelo (Kg/m3) m = masa total de la muestra de suelo
Además se cumple: γ = ρ . g
siendo g = aceleración de la gravedad = 9,81 m/seg2
Consistencia del Suelo: Límites de Atterberg Cuando existen minerales de arcilla en un suelo de grano fino, éste puede ser remodelado en presencia de alguna humedad sin desmoronarse. Esta naturaleza cohesiva es debida al agua absorbida que rodea a las partículas de arcilla. A principio de 1990 Albert Mauritz Atterberg, desarrolló un método para describir la consistencia de los suelos de grano fino con contenidos de agua variable. A muy bajo contenido de agua, el suelo se comporta más como un sólido frágil. Cuando el contenido de agua es muy alto, el suelo y el agua fluyen como un líquido. Por lo tanto, dependiendo del contenido de agua, la naturaleza del comportamiento del suelo se clasifica arbitrariamente en cuatro estados básicos, denominados: sólido, semisólido, plástico y líquido. 27
El contenido de agua, en %, en el que la transición de estado sólido a semisólido tiene lugar, se define como “límite de contracción”. El contenido de agua en el punto de transición de estado semisólido a plástico es el “límite plástico”, y de estado plástico a líquido es el “límite líquido”. Esos límites se conocen también como límites de Atterberg Sólido
Límite de Contracción
Semisólido
Plástico
Límite Plástico
Líquido
Límite Líquido
Límite Líquido (LL).- Es el mínimo contenido de agua al cual se tiene comportamiento semilíquido, se determina mediante el ensayo de laboratorio desarrollado por Casagrande. Límite plástico (LP).- es el máximo contenido de agua al cual se comienza a tener comportamiento plástico, se determina en laboratorio mediante el ensayo propuesto por Atterberg. Índice de Plasticidad (IP).- Es la diferencia entre los límites líquido y plástico. IP = (LL – LP)
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ANEXO B Análisis Granulométricos Mediante Tamices. El tamizaje con mallas de alambre tejido es el método más ampliamente usado para determinar la distribución de tamaños en muestras de minerales, muestras de relaves u otros materiales. Los alambres se tejen de manera de formar aberturas cuadradas y el número de aberturas que existen en una pulgada en la dirección de los alambres se utiliza para especificar al número del tamiz.
------1pulgada-------Además de conocer el número de tamiz, para determinar la dimensión de la abertura, es necesario conocer el espesor de los alambres. Varias instituciones han propuesto series estándar de tamices, en las cuales se especifican las dimensiones de las aberturas. Las tablas B.1 y B.2 entregan las dimensiones de las aberturas para dos series de tamices bien conocidas: la serie U.S.A. Estándar (ASTM) y la Tyler Estándar. Normalmente para realizar un análisis granulométrico, los tamices se escogen de manera que el cuociente entre la abertura de dos tamices consecutivos sea constante. Por ejemplo, los tamices Tyler Nº 10, 14, 20, 28, 35, 48, 65, 100 y 150 tienen una razón √2 = 1,414, es decir: Abertura Tamiz Nº10 = Abertura Tamiz Nº14 = ……………….. = 1,414.. Abertura Tamiz Nº 14 Abertura Tamiz Nº 20 Tabla B.1. Número de mallas en las series ASTM y Tyler
Abertura (mm) 107,6 101,6 90,5 76,1 64 53,8 50,8 45,3
Serie ASTM N° de tamiz (pulg.) 4,24 4 3½ 3 2½ 2,12 2 13 / 4 29
Serie Tyler Nº de tamiz (pulg.)
Abertura (mm) 38,1 32 26,9 25,4 22,6 19 16 13,5 12,7 11,2 9,51 8 6,73 6,35 5,55
Serie ASTM N° de tamiz (pulg.) 11 / 2 11 / 4 1,06 1 7/8 ¾ 5/8 0,53 ½ 7/16 3/8 5/16 0,265 ¼ 3½
Serie Tyler Nº de tamiz (pulg.) 1,05 0,883 0,742 0,624 0,525 0,441 0,371 2½ 3 3½
Tabla B.2. (Continuación)
Abertura ( μ m ) 4760 4000 3360 2830 2380 2000 1680 1410 1190 1000 841 707 595 500 420 354 297 250 210 177
Serie ASTM Nº de tamiz 4 5 6 7 8 10 12 14 16 18 20 25 30 35 40 45 50 60 70 80 30
Serie Tyler Nº de tamiz 4 5 6 7 8 9 10 12 14 16 20 24 28 32 35 42 48 60 65 80
Abertura ( μ m ) 149 125 105 88 74 63 53 44 37
Serie ASTM Nº de tamiz 100 120 140 170 200 230 270 325 400
Serie Tyler Nº de tamiz 100 115 150 170 200 250 270 325 400
Tabla B.3. Ejemplo de distribución granulométrica, representada en forma tabulada Nº Tamiz Tyler Abertura(mm) Peso ( g) f (%) Fu (%) Fo (%) 10 2 1,3 1,1 98,9 1,1 14 1 6,7 5,6 93,3 6,7 20 0,85 24,7 20,6 72,7 27,3 28 0,6 31,7 26,4 46,3 53,7 35 0,42 22,2 18,5 27,8 72,2 48 0,3 13 10,8 17 83 65 0,21 7,1 5,9 11,1 88,9 100 0,15 4,7 3,9 7,2 92,8 150 0,105 3,2 2,7 4,5 95,5 Residuo 5,4 4,5 En donde: f(%) = fracción retenida en el tamiz respecto del total de la muestra expresada en %. Fu(%) = Fracción acumulada bajo el tamaño del tamiz. Fo(%) = Fracción acumulada sobre el tamaño del tamiz.
31
30
26,4
25
20,6 18,5
20
f 15 ( %) 10 4,5 5
Serie a
10,8 5,9 2,7
5,6
3,9
1,1
0
0 0,08 0,11 0,15 0,21 0,3 0,42 0,6 0,85 1,2 1,68 1,83
Tamaño ( mm )
Figura B.1. Representación gráfica de histograma de la fracción retenida en el tamaño
Figura B.2. Representación gráfica de curva de la fracción acumulada bajo el tamaño 32
Tabla B.4. Recomendada por SERNAGEOMIN para la entrega de información de análisis granulométricos, según sector, es decir, Pie y Falda, cuando corresponda.
Sector Mallas N° Tyler 35 48 65 100 150 200 -200 Total
gramos retenidos A B
% retenido A B
Promedio ponderado % retenido
% acumulado bajo
1 1 = Curva típica de lamas (overflow, fracción fina)
3
2 = Curva típica de arenas (underflow, fracción gruesa) 3 = Rango típico de relaves completos
2
Figura B.3. Distribuciones granulométricas típicas de relaves de Cobre 33
ANEXO C Medición de concentración y peso específico de pulpas con balanza tipo Marcy Características de la balanza La balanza Marcy entrega una lectura rápida y directa del porcentaje de sólidos en peso de la pulpa de relaves, también su gravedad específica y la gravedad específica de los sólidos secos. Sin embargo, es necesario mencionar que los valores de las medidas obtenidas son de una precisión aceptable en operación para controlar el proceso y aproximadas a la verdadera. Con la balanza Marcy se pueden medir determinar:
Peso de muestras en gramos o kilogramos. Peso o Gravedad específica de líquidos o pulpas. Porcentaje de sólidos en peso contenido por la pulpa de cualquier gravedad específica. Peso o gravedad específica de sólidos secos.
Figura D.1. Balanza tipo Marcy Algunas de las características de la balanza tipo Marcy son:
Posee una construcción simple y sólida. Es fácil de operar, ya que no es necesario pesar las muestras separadamente. Se usa con sólidos de cualquier rango, es decir, de densidad pesada o liviana ya se disponen diferentes carátulas de lectura intercambiables. Las balanzas posee recipientes cilíndricos plásticos o metálicos con agujeros (agujeros de rebalse) para permitir un llenado máximo de 1000 cc. Cada balanza tiene una carátula o dial, adherida permanentemente, con anillos concéntricos (de colores rojo, blanco y amarillo) adecuados para la gravedad específica de los sólidos de la pulpa, sin embargo estas carátulas son intercambiables, por lo que con ellas se cubre un rango de gravedad específica de sólidos secos, considerable. 34
N°carátula #2 #3 #4 #5 #6 #7 #8 #9 # 10 # 11 # 12
1,2 1,7 2,2 2,6 3 3,4 3,8 4,2 4,6 5,6 6,6
1,3 1,8 2,3 2,7 3,1 3,5 3,9 4,3 4,8 5,8 6,8
1,4 1,9 2,4 2,8 3,2 3,6 4 4,4 5 6 7
1,5 2 2,5 2,9 3,3 3,7 4,1 4,5 5,2 6,2 7,2
1,6 2,1 2,6 3 3,4 3,8 4,2 4,6 5,4 6,4 7,4
1,7 2,2 2,7 3,1 3,5 3,9 4,3 4,7 5,6 6,6 7,6
1,8 2,3 2,8 3,2 3,6 4 4,4 4,8 5,8 6,8 7,8
Figura D.2. Números de esferas intercambiables y rangos
Metodología de Medición Calibración de la balanza tipo Marcy La balanza debe ser colgada de manera tal que quede suspendida libremente en el espacio. Luego se debe llenar el recipiente cilíndrico con 1000[cc] de agua pura y colgarlo del gancho de la balanza y posteriormente limpiar la superficie exterior del recipiente de algún material adherido, para obtener una lectura más precisa. La aguja de la balanza deberá marcar 1000 en el anillo concéntrico mayor, quedando en posición vertical. Si eso no ocurriere, se debe “girar la perilla de ajuste de la aguja indicadora”, ubicada sobre el gancho, y llevar esta aguja a la lectura 1000. En ese momento la balanza estará calibrada. (este procedimiento debe realizarse siempre con cierta frecuencia para asegurar la calibración de la balanza). Nota.- Siempre al estar el recipiente cilíndrico vacío colgado en el gancho de la balanza, la aguja en la carátula estará marcando un poco antes del punto 1000 en el anillo más externo.
Toma de muestra de la pulpa a ser medida Para la toma de muestra, se debe llenar el recipiente con la pulpa o el líquido deseado. El nivel del líquido o pulpa tiene que alcanzar las perforaciones de rebalse. Posteriormente limpie el material de la parte exterior del recipiente y finalmente se tiene que colgar de la balanza, determinándose la gravedad específica de la pulpa o el porcentaje de sólidos en la pulpa.
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Porcentaje de Sólidos en Peso (Cp) Si se conoce la gravedad específica del sólido en la pulpa, el porcentaje de sólidos en peso (Cp) se puede leer directamente en el anillo concéntrico correspondiente a la gravedad específica del sólido contenido en la pulpa. Para esto, se debe colgar el recipiente lleno de pulpa en la balanza. El porcentaje de sólido en la pulpa se lee en el sentido de los punteros del reloj en el anillos concéntrico correspondiente.
Gravedad Específica de la pulpa Cuelgue el recipiente lleno en la balanza siguiendo los pasos anteriormente mencionados y lea la gravedad específica de la pulpa en el anillo concéntrico de mayor diámetro de la carátula o dial. (anillo más externo)
Gravedad Específica de un Sólido Prepare una muestra de material representativa, seca, entre -10 mallas y +100 mallas (Tyler). Cuelgue el recipiente vacío y seco de la balanza y empiece a llenarlo con la muestra hasta que la aguja indique 1000 g. en el anillo exterior del dial. Vacíe la muestra en algún receptáculo. Llene un tercio del volumen del recipiente con agua y vierta el material de a poco en el recipiente, asegurándose que las partícula de mineral se mojen completamente y se eliminen las burbujas de aire, en este proceso vaya revolviendo con una varilla de vidrio limpia .Cuelgue el recipiente de la balanza y complete el volumen con agua hasta las perforaciones del rebalse. Lea la gravedad específica del sólido directamente en el anillo concéntrico de menor diámetro de la carátula (anillo mas interno).
Procedimiento de “Mallaje” de la pulpa de arenas del muro Para determinar el contenido del % bajo la malla 200 (Tyler) de las arenas del muro de contención en un tranque de relaves, se puede utilizar la balanza Marcy, realizándole a la “pulpa de arenas”, o sea, al flujo del material grueso del Hidrociclón (Underflow), lo que en la práctica se le denomina Millaje y que consiste en lo siguiente: Se toma una muestra de un poco mas de i000 cc de pulpa del flujo de arenas del Hidrociclón (recipiente cilíndrico lleno tapando con los dedos los agujeros de rebalse) Luego se lleva con cuidado esta pulpa y se cuelga el recipiente en el gancho, en este punto al soltar el recipiente el volumen sobrante de la pulpa rebalsará por los agujeros, allí queda en el recipiente un litro de pulpa, Luego se debe limpiar la superficie del recipiente cilíndrico con agua utilizando una pizeta para asegurar una mejor lectura. 36
Se lee el % de sólidos en peso de la pulpa de arenas (Cp inicial) en el anillo que corresponda. Después se vacía toda la pulpa sobre un tamiz N°200 (74 micrones) y se hace un tamizaje en húmedo al material de arenas, utilizando un flujo suave de agua, lavando el material hasta que el agua que atraviesa la malla salga limpia, sin partículas bajo la malla 200 (ir palpando el agua con la mano). El flujo de agua y partículas que atraviesan la malla durante el tamizaje en húmedo se bota y no es necesario recuperar. Luego el material de arenas que quedó sobre la malla N°200, se vuelve a introducir en el recipiente cilíndrico de la balanza, con mucho cuidado e ir lavando la malla utilizando un flujo pequeño de agua y que no sobrepase de los 1000 cc. Se cuelga el recipiente y se completan los 1000cc con agua y se vuelve a medir nuevamente el % de sólidos en peso de la pulpa que se formo (Cp final) Final mente con los dos datos de Cp inicial y Cp final se determina el % bajo la malla 200 que contiene la arena del muro utilizando la siguiente fórmula:
[ Cp inicial – Cp fina l ] %bajo malla 200 = 100 x -------------------------------------Cp inicial
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ANEXO D Control Piezométrico Fabricación de Piezómetros Una idea sencilla que se recomienda utilizar para medir el nivel freático en los muros de arenas de Tranques de Relaves de pequeño o mediano tamaño, es el uso de piezómetros de las siguientes características:
Se utiliza una tubería de PVC corriente de 1” o 2” de diámetro interior. Se tapa en un extremo con un flange ciego. Se perfora a partir del flange con orificios de 2 a 3 mm. de diámetro, en un largo de 30 cm.
Ubicación de los Piezómetros Para controlar el nivel freático es necesario colocar varios piezómetros en una línea recta distante más o menos 25 m. uno de otro, tratando que algunos queden en la línea del eje de coronamiento del muro de partida o bien un poco hacia el interior del tranque (sector de la playa) y los otros en el interior del muro de contención ubicados en el sector del talud exterior del muro de arena (sector de arenas).
Se hace una perforación de 80 cm. de profundidad y 80 cm. de ancho por lado del cuadrado formado, en el lugar donde se colocará el piezómetro. Se coloca en la perforación hecha el piezómetro preparado. Se coloca una primera capa de 30 cm. de grava que tiene una granulometría de dimensiones que fluctúa entre 25 y 50 mm. Se coloca una segunda capa de 30 cm. de gravilla que tiene granulometría de dimensiones que fluctúan entre 3 y 25 mm.; y Se coloca una tercera y última capa de 20 cm. de arena gruesa del hidrociclón.
Figura D.1. Esquema del Piezómetro propuesto. 38
Procedimiento de Control de Nivel Freático Se usa un miliamperímetro o tester indicador, y una extensión de alambre eléctrico que en una punta va conectado al miliamperímetro o tester y en la otra conectado a una pequeña sonda o sensor, que se introduce en el piezómetro. Este sensor al contacto con el agua, que pueda tener el piezómetro, hace moverse la aguja indicadora del miliamperímetro o tester lo cual nos indica la altura o nivel donde está el agua libre o napa. Antes de hacer las medidas es conveniente comprobar si el piezómetro está en condiciones de trabajo. La manera más sencilla de controlar el piezómetro es agregando agua al interior de éste y tomar el tiempo de filtración; si éste es rápido y no logramos llenar el tubo comprobaremos fehacientemente que “el aparato de medición del nivel freático” (piezómetro) está en condiciones normales de trabajo. (en operación suele ocurrir que los piezómetros están tapados en su interior con arenas, para evitar esto, siempre debe tenerse el cuidado de colocarle y dejarlo con una tapa en la punta superior del tubo piezométrico al finalizar las medidas).
Equipo Miliamperímetro o Tester indicador Carrete Cable conductor Sensor Huincha de medir Procedimiento de medición a) Desenrollar el cable conductor del carrete a una cierta cantidad de metros. b) Colocar el miliamperímetro o tester indicador con vista hacia el operador del instrumento. c) Bajar lentamente, por dentro del piezómetro, el cable conductor que esta conectado al sensor en su extremo. d) Al bajar el cable conductor con el sensor, por el interior del tubo piezométrico se debe estar mirando constantemente el tester, ya que cuando el sensor haga contacto con agua, la aguja del tester se moverá inmediatamente. e) En el momento que se produce el contacto con el agua, se debe colocar una marca en el cable, justo en el punto que coincide con la boca del tubo piezométrico, luego se retira el cable conductor con el sensor y se mide el largo total entre la marca realizada y el extremo final del sensor. f) El punto anterior se puede repetir para asegurar la medida. 39
g) Finalmente se recomienda llevar una hoja de registro de cada uno de los piezómetros con los datos de medición obtenidos, procurando realizar las mediciones en forma periódica y eligiendo siempre un día determinado de la semana, además se puede confeccionar un gráfico de estos registros para su análisis.
Figura D.2.Esquema Piezométrico con tubo perdido. 40
