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INFLUENCIA DE LAS ALTERACIONES HIDROTERMALES EN LA ESTABILIDAD DE UN TAJO ABIERTO MINERO DEL SUR DEL PERÚ: ESTUDIO DE CASO

Por: Sergio Castro Chunga, ingeniero geomecánico de Anddes.


Resumen

Las soluciones hidrotermales modifican considerablemente las propiedades físicas y mecánicas de las rocas y, en consecuencia, tienen un impacto en la estabilidad de los taludes de un tajo abierto; sin embargo, este efecto a veces no es considerado en un diseño de taludes de tajo y genera que el modelo geotécnico disponible solo esté basado en las litologías existentes. Esto podría causar que, durante la excavación, se observen calidades variables del macizo rocoso e incluso de menor calidad con respecto a las asumidas en el diseño. 

Esto genera la necesidad de rediseñar los taludes del tajo con base en investigaciones geotécnicas adicionales, tales como el mapeo en superficie en los bancos existentes y perforaciones geotécnicas complementarias, para desarrollar o actualizar el modelo geotécnico basado en las alteraciones hidrotermales y luego llevar a cabo el análisis de estabilidad física de taludes (factor de seguridad, probabilidad de falla y desplazamientos).

El estudio de caso presentado en este artículo muestra que realizar una zonificación en términos de los tipos de alteración hidrotermal es necesaria cuando existe una fuerte influencia de este fenómeno, pero también debe ir acompañada de una zonificación basada en la variabilidad de la resistencia de la roca en cada tipo de alteración, ya que el efecto puede haber sido tan intenso que la roca termina transformándose en un suelo residual.

Introducción

Este trabajo se refiere a un tajo abierto minero ubicado en el sur del Perú. Consiste en un yacimiento de oro que evidencia los efectos de las alteraciones hidrotermales en la roca intacta y el macizo rocoso, debido a los cambios químicos, resultando en la degradación de las propiedades de resistencia. La mayoría de las paredes finales del tajo abierto son de resistencia a la roca intacta menor que R2 (poco resistentes) y de muy mala y mala calidad del macizo rocoso {Rock Mass Rating (RMR89) < 41}. Entre las principales alteraciones hidrotermales presentes se tienen: vuggy sílica, argílica avanzada y argílica intermedia. Estas alteraciones asociadas con los cuerpos mineralizados hidrotermales cambian considerablemente la resistencia y la calidad de la roca huésped.

Sin embargo, en los primeros niveles de ingeniería del proyecto, la caracterización geotécnica había sido desarrollada únicamente basada en los tipos de litología, y se realizaron pocas perforaciones geotécnicas y ensayos de laboratorio en la base de datos para desarrollar el modelo geotécnico. Esas limitaciones generaron inconsistencias entre el modelo geotécnico y los materiales de las paredes del tajo, los cuales estuvieron en evidencia durante el avance del minado. Adicionalmente, una voladura pobremente controlada y algunas erosiones se observaron en los taludes superiores.

Afortunadamente, el nivel freático en esta área (basado en un estudio hidrogeológico a escala de mina) está 50 m debajo del nivel más profundo del tajo final de acuerdo con el diseño existente.

Todas estas razones generaron la necesidad de realizar investigaciones geotécnicas adicionales, las cuales incluyeron una campaña de campo y laboratorio, el procesamiento de datos y la interpretación, el desarrollo de un modelo geotécnico 3D y la evaluación de la estabilidad del diseño existente del tajo abierto.

Colección de data de campo y ensayos de laboratorio

Una campaña geotécnica de campo fue realizada entre los meses de diciembre de 2018 y marzo de 2019, la cual consistió en el mapeo geológico-geotécnico y el logueo de los bancos existentes del tajo, supervisión de perforaciones geotécnicas orientadas y el muestreo de materiales representativos en varios sectores de las paredes del tajo. Esta investigación complementó la data previamente obtenida por otros consultores.

Entre los principales ensayos de laboratorio realizados para suelos se tienen la clasificación de tamaño de partículas (usando el SUCS para clasificar), peso volumétrico (muestras inalteradas), compresión triaxial tipo CU. Para los núcleos y bloques de roca intacta muestreados, los ensayos realizados fueron: carga puntual, compresión uniaxial (UCS) y módulos elásticos, tracción indirecta, compresión triaxial y corte directo en discontinuidades. Todos estos datos permitieron definir las propiedades físicas y mecánicas de los materiales.

La Figura 2 muestra las curvas de distribución de tamaño de partícula de suelos muestreados durante el mapeo geológico y perforaciones. Los suelos residuales de las principales alteraciones hidrotermales existentes en los bancos del tajo, vuggy sílica, argílica avanzada y argílica intermedia están principalmente clasificados, basados en el SUCS, como arenas limosas (SM). Igualmente, el depósito morrénico clasifica como una grava arcillosa-limosa (GC-GM).

La Figura 3 muestra las ecuaciones de ajuste obtenidas al plotear la porosidad y la absorción de los núcleos y bloques de roca intacta ensayados por Anddes y las pruebas previamente realizadas por otros consultores.

La Figura 4 muestra el ajuste lineal obtenido entre el peso unitario de los núcleos y bloques de roca intacta ensayados y las pruebas previamente realizadas por otros consultores. Debería notarse que las ecuaciones presentadas son las que mejor se ajustan a los datos y fueron desarrolladas para los tipos de alteración con los ensayos de laboratorio disponibles.

La Figura 5 muestra el ajuste no lineal obtenido entre los esfuerzos de corte y esfuerzos normales al plotear los ensayos de corte directo realizados recientemente y los previamente desarrollados por otros consultores. Estos fueron obtenidos en caso se requiera analizar modos de fallas a través de estructuras (juntas).

La Figura 6 muestra los valores de RMR89 comparados con el Geological Strength Index (GSI) obtenido a partir de dos formulaciones (Hoek et al. 1995 y Hoek et al. 2013). Hoek et al. (1995) propusieron usar la relación GSI = RMR89 - 5 considerando macizos rocosos sin influencia de nivel freático y sin ajuste por orientación de discontinuidades, restringiendo su uso a macizos rocosos con RMR89 ≥ 30. Por otro lado, Hoek et al. (2013) plantearon una cuantificación de la carta GSI propuesta por Marinos & Hoek (2000), proponiendo una estimación del GSI basado en la condición superficial de las discontinuidades (a partir de la valoración de condición de juntas –JCond89– definida por Bieniawski, 1989) y el entrelazamiento de los bloques de roca definidos por discontinuidades (a partir del Rock Quality Designation –RQD– definido por Deere et al., 1967) proponiendo la relación GSI = 1.5JCond89 + RQD/2, la cual presenta una variación de ±10 con respecto al GSI obtenido de la carta. 

Finalmente, se usó la relación de Hoek et al. (1995) al presentar valores más cercanos a los registrados en el mapeo de afloramientos en los bancos cercanos a las perforaciones, mientras Hoek et al. (2013) sobreestimó los valores de GSI.

La Tabla 1 presenta las unidades geotécnicas definidas en el tajo abierto. La unidad geotécnica I corresponde al depósito morrénico (morrenas), la unidad geotécnica II a los suelos residuales, la unidad geotécnica III al macizo rocoso de muy mala a mala calidad y la unidad geotécnica IV al macizo rocoso de regular calidad. Las unidades geotécnicas III y IV fueron subdivididas considerando el rango de valores RMR89 (como se muestra en la Tabla 1). Los materiales fueron nombrados de acuerdo con el tipo de suelo o alteración hidrotermal.

La Figura 7 muestra las calidades de los materiales obtenidas usando todos los datos geológico-geotécnicos disponibles, que ayudaron a definir cuatro unidades geotécnicas: I. Morrenas, II. Suelos residuales, III. Macizo rocoso de muy mala a mala calidad y IV. Macizo rocoso de regular calidad. Para definir las propiedades de resistencia de la roca, las unidades geotécnicas III y IV fueron subdivididas de acuerdo con la calidad del macizo rocoso (valores de RMR).

Modelo geomecánico

El modelamiento geomecánico interpretativo tridimensional del tajo abierto fue desarrollado usando MinePlanTM 3D (Hexagon Mining 2018). La data utilizada consistió en perforaciones geológicas, geometalúrgicas y geotécnicas existentes, provenientes de distintas campañas de campo realizadas por la compañía minera, Anddes y otras consultoras. De esas perforaciones, se seleccionaron las ubicadas dentro de los límites de diseño del tajo abierto, y se realizaron correcciones a algunas de las valoraciones de los parámetros (para obtener el RMR89) asignado durante las campañas de campo.

La data disponible de 100 perforaciones fue usada (10 de estas pertenecen a la última campaña geotécnica). En adición a esto, se usó la data superficial disponible del mapeo de bancos existentes (convertidos a perforaciones de poca longitud con fines del modelamiento) para aumentar y mejorar la data de ingreso al modelo geomecánico.

Durante la revisión de los logueos de perforaciones y sus cajas disponibles, se encontraron inconsistencias en la valoración de los parámetros, por lo que fue necesario estandarizar estos logueos alineándolos a la clasificación de Bieniawski (1989). Algunos errores observados consistieron en la sobreestimación del valor RMR89 en rocas de muy mala calidad (clase V), los suelos residuales no habían sido logueados correctamente y fueron clasificados usando RMR89, y los valores RMR89 asignados para rocas de calidad mala, regular y buena (clases IV, III & II, respectivamente) tenían algunos errores en la valoración de discontinuidades. En resumen, la mayoría de los errores fueron observados para valores de RMR89 ≤ 20 (rocas de muy mala calidad y suelos residuales).

El comparativo de la longitud total de las perforaciones logueadas versus la longitud total de las perforaciones disponibles fue clasificado por los valores RMR, tal como se ve en la Figura 8. Se observa que la data disponible aumentó considerablemente, mejorando la confiabilidad del modelo geomecánico.

En la Figura 9, se graficó el porcentaje de perforaciones logueadas (basado en la longitud total mostrada en la Figura 8). Se observa que los datos de calidades del macizo rocoso (basados en Bieniawski, 1989) disponibles para desarrollar el modelo geomecánico, están principalmente concentrados en tres clases: roca regular, roca mala y suelos residuales.

La Tabla 2 muestra las longitudes asociadas con cada clase de macizo rocoso, comparando la data original disponible y los logueos de testigos corregidos. Se asumió que la frase ‘sin data’ (encontrada en los logueos de la compañía minera) se debía a suelos residuales que no pudieron ser recuperados en las perforaciones. Es bueno indicar también que toda la información disponible fue usada para modelar el área del tajo abierto en condición actual (no completamente excavado).

El modelo de bloques obtenido contiene las siguientes propiedades geomecánicas: Resistencia a la compresión uniaxial (no confinada) de la roca intacta, grado de fracturamiento (RQD, %) y clasificación geomecánica del macizo rocoso (RMR89). El modelo fue posteriormente usado para la evaluación de la estabilidad de taludes del tajo abierto.

Una vez que el modelo geomecánico de bloques fue preparado, las vistas de valores RMR89 y RQD proyectados a la superficie final del tajo fueron obtenidas. Estas vistas y un ejemplo de sección transversal son mostrados en la Figuras 10 y 11 para valores de RMR y RQD, respectivamente. Los valores son relacionados a los colores mostrador en la Tabla 3.

La Figura 12 muestra las calidades de material obtenidas al interceptar el modelo geomecánico y el diseño actual del tajo abierto. Esta muestra cuatro unidades geotécnicas: I. Morrenas, II. Suelos residuales, III. Macizo rocoso de muy mala y mala calidad y IV. Macizo rocoso de calidad regular.

Propiedades de los materiales y evaluación de estabilidad de taludes

La caracterización geotécnica de los materiales fue realizada usando el criterio de resistencia de Hoek et al. (2002) para macizos rocosos con RMR89 ≥ 30 y usando el criterio de resistencia de Mohr-Coulomb para macizos rocosos con RMR89 < 30.

La Tabla 4 presenta el resumen de parámetros del macizo rocoso (RMR89 ≥ 30) obtenidos del modelo geomecánico y el programa de ensayos de laboratorio.

La Tabla 5 presenta el resumen de parámetros del macizo rocoso (para RMR89 ≤ 30) y suelos obtenidos del modelo geomecánico de los ensayos de laboratorio desarrollados.

La evaluación de estabilidad de taludes fue desarrollada aplicando el método de equilibrio límite usando Slide V8.029 (Rocscience 2018) y el método de elementos finitos usando RS2 V10.010 (Rocscience 2019). Algunas consideraciones de análisis tomadas en cuenta son descritas a continuación:

ν Los análisis de estabilidad fueron considerados a través de seis secciones transversales (análisis bidimensional). Las respectivas líneas de sección son mostradas en la Figura 12. Los factores de seguridad (FS), probabilidad de falla (PF) y desplazamientos fueron calculados para todas las secciones transversales, sin embargo, la sección transversal 1 representa la pared de mayor altura y la más cercana al límite de propiedad de la mina, por este motivo es mostrada en este artículo.

ν El nivel freático no fue considerado en el modelo ya que se ha estimado que se encuentra a 50 metros bajo la zona más profunda del tajo (basado en el estudio hidrogeológico disponible y las lecturas nulas de 3 piezómetros de cuerda vibrante ubicados en la huella del tajo final).

ν Se realizaron análisis pseudo-estáticos, para condiciones de cierre, en cada sección del tajo abierto. Un coeficiente sísmico de 0.2 {basado en las recomendaciones de United States Army Corps of Engineers (USACE, 2003)} fue usado en base al estudio de peligro sísmico (actualizado en 2019), el cual indica que una aceleración pico del terreno (PGA) de 0.4 g en roca (suelo tipo B) para un periodo de retorno de 475 años, el cual corresponde a un tiempo de exposición de 50 años con una probabilidad de excedencia de 10%.

ν Los parámetros geométricos de diseño del tajo abierto en estudio fueron: altura de banco = 15 m, ancho de berma = 8 m, ángulo de cara de banco = 65°, ángulo interrampa = 45°, máxima altura de talud interrampa/multibanco = 130 m y máxima altura de talud global = 190 m.

ν En este tajo abierto, la estabilidad de taludes está gobernada por la resistencia del macizo rocoso debido al alto grado de fracturamiento del mismo.

ν Los criterios de aceptabilidad para las diferentes escalas de taludes están basados en las recomendaciones de Read y Stacey (2009):

• Banco: FoS (min)estático = 1.1 & PoF (max) = 25%

• Talud multibanco/interrampa: FoS (min)estático = 1.3; FoS (min)pseudoestático = 1.0 & PoF (max) = 10 %

• Talud global: FoS (min)estático = 1.35; FoS (min)pseudoestático = 1.0 & PoF (max) = 5 %

La Figura 13 muestra los resultados de la evaluación de estabilidad de taludes en un sector cercano al límite de propiedad de la mina (ver línea de sección transversal 1 en la Figura 12). Igualmente, representa las condiciones de estabilidad de taludes globales e interrampa para análisis pseudo-estático por equilibrio límite, el cual satisface los criterios de aceptabilidad del factor de seguridad. Por esto tuvieron que realizarse algunas modificaciones a la geometría de la pared. Las cargas de los camiones también fueron incluidas en el análisis geotécnico (140 kN/m2 para un camión vacío y 330 kN/m2 para uno completamente lleno, basado en las especificaciones técnicas del fabricante).

Las Figuras 14 y 15 muestran los resultados de los análisis esfuerzo-deformación (usados para calcular desplazamientos) y el método de reducción de resistencia al corte (Shear Strength Reduction – SSR) para estimar un factor de reducción de resistencia crítico (Strength Reduction Factor – SRF) para el modelo, obtenido en un sector cercano al límite de propiedad de la mina (sección transversal 1). Estos muestran que los desplazamientos en las paredes del tajo abierto están en un nivel aceptable, por eso estas son consideradas estables y se espera que operen con normalidad.

Resultados

Un resumen de los factores de seguridad, probabilidades de falla y máximos desplazamientos de las seis secciones transversales evaluadas se presenta en la Tabla 6.

Conclusiones

1. Para mejorar el modelo geomecánico, los datos superficiales colectados (mapeo y logueo de bancos y algunos puntos de muestreo) fueron incluidos en el modelo simulando perforaciones geotécnicas de poca longitud. Estos datos fueron de mucha utilidad para calibrar la geología con las condiciones actuales observadas en las paredes del tajo abierto.

2. Se observó (debido a los valores de RQD presentados en la Figura 11), que solo algunas zonas puntuales (noreste del tajo) podrían presentar una estabilidad de taludes gobernada por las estructuras. La mayoría de materiales que aflorarán en las paredes finales tendrán valores de RQD inferiores a 25%.

3. El FS (estático y pseudoestático) y la PF (%) obtenida de los análisis de equilibrio límite, cumplen los criterios de aceptabilidad establecidos para todas las secciones transversales evaluadas.

4. Los resultados de los análisis usando la técnica de reducción de resistencia al corte (SSR) en la sección transversal 1, presenta un factor de reducción de resistencia (SRF) de 1.38 y el máximo desplazamiento calculado en el diseño de taludes recomendado fue aproximadamente 13.6 cm (talud interrampa superior, lado izquierdo). Sin embargo, se recomienda actualizar los parámetros elásticos durante el minado mediante la calibración de los desplazamientos calculados con los registrados en el monitoreo.

5. Los resultados obtenidos de la evaluación de estabilidad de la sección transversal 1, evidencian que sería posible evaluar una expansión del tajo abierto acercándose al límite de propiedad. Para esto sería necesario otro estudio de estabilidad y una evaluación de riesgo. Esto podría aumentar el tiempo de operación de la mina, y se debe a que la alteración vuggy sílica es la principal roca mineralizada del tajo y la que se encuentra masivamente en esta posible zona de expansión (sección transversal 1).

6. Los desplazamientos calculados de los análisis de esfuerzo-deformación y los registrados del monitoreo de prismas topográficos realizados mediante la estación total robótica, servirán para definir los niveles de alerta para la operación.

7. Los parámetros geométricos de diseño para el tajo abierto, fueron: altura de banco = 15 m, ancho de berma = 8 m, rango de ángulos de cara de banco = 57°–70°, rango ángulos de talud interrampa = 40°–48°, lo cual difiere considerablemente con los parámetros geométricos del diseño actual y evidencia la necesidad de haber realizado esta zonificación de parámetros. Asimismo, como consecuencia de este cambio, se deberán actualizar el diseño del tajo abierto y el plan de minado del mismo.

Recomendaciones

1. Debido a la mala calidad de la roca de la mayoría de las paredes finales del tajo abierto y la resistencia variable de las rocas afectadas por las alteraciones hidrotermales, se recomienda actualizar constantemente el modelo geomecánico (mejor nivel de confiabilidad) a través del mapeo de bancos durante el avance del minado. 

2. En el caso de estudio presentado, se debería evaluar usar excavación mecánica en bancos de suelos residuales y macizos rocosos de muy mala calidad. Esto ayudaría a disturbar lo menos posible los materiales.

3. Actualizar el estudio hidrogeológico y realizarlo a escala de tajo, instalando estratégicamente una mayor cantidad de piezómetros.

4. Desarrollar una inspección a detalle de todos los instrumentos de monitoreo de desplazamientos (prismas y estación robótica) actualmente instalados, con el objetivo de verificar si fueron adecuadamente instalados y si están en buen estado o deben ser reemplazados.

5. Incluir un monitoreo mediante un sistema de radar para obtener reportes de desplazamientos a tiempo real, lo que permitiría calibrar los parámetros de materiales y también activar los protocolos de emergencia en caso de una falla inminente.

Bibliografía

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