ESTUDIO TÉCNICO Y ECONÓMICO DE UNA PRESA DE RELAVES CONSTRUIDA CON EL SISTEMA CONCRETE FACED ROCKFILL DAM (CFRD)

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FACULTAD DE INGENIERÍA

ESCUELA DE INGENIERÍA EN OBRAS CIVILES

ESTUDIO TÉCNICO Y ECONÓMICO DE UNA PRESA DE RELAVES CONSTRUIDA CON EL SISTEMA CONCRETE

FACED ROCKFILL DAM (CFRD)

SERGIO PATRICIO PADILLA ORREGO

PROFESOR GUÍA : PABLO GONZÁLEZ M.

PROFESOR COMISIÓN : ENRIQUE ÁLVAREZ H.

PROFESOR EXAMINADOR : NELSON VALDIVIA R.

MEMORIA PARA OPTAR EL TÍTULO DE INGENIERO CIVIL EN OBRAS CIVILES SANTIAGO – CHILE

MARZO, 2009

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RESUMEN EJECUTIVO

Esta memoria tiene por objetivo entregar una alternativa para la disposición de relaves en el país.

En este trabajo, se realiza una breve reseña de la historia de las presas de relave que existen en Chile, y se caracteriza los parámetros mínimos de diseño que se han empleado a la fecha.

La alternativa sugerida es un muro de Concrete Faced Rockfill Dam, o muro de roca con cara de hormigón (C.F.R.D.) con sus siglas en inglés. Se hace una breve reseña de su historia y se entregan las consideraciones generales utilizadas en el diseño de este tipo de presas, que se utiliza principalmente para el almacenamiento de agua para riego o hidroeléctricas.

El trabajo se enfoca en la estimación de los parámetros de diseño para analizar la factibilidad de la utilización de un muro de una presa CFRD como muro de relaves y se realizara una modelación por medio de software computacional para evaluar su comportamiento ante distintas cargas aplicadas.

En los capítulos finales, se realiza una evaluación económica, que compara un muro de arena de las mismas características (altura y capacidad) y se evalúa su costo de implementación, operación y mantención versus el muro CFRD.

En el último capítulo se exponen las conclusiones de esta memoria.

El anexo “A” describe el proceso del cobre. Por otro lado, el anexo “B” detalla la modelación realizada en SAP2000.

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DEDICATORIA

A mis hijos, porque sin ellos, todo sería distinto, a mis padres y hermana, por su apoyo incondicional, A Daniela, por haber sido un pilar fundamental en este camino.

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AGRADECIMIENTOS

Quiero agradecer en lo profundo de mi corazón a mis padres y hermana, por darme la oportunidad de poder estudiar y finalizar esta carrera y ser un profesional.

A mi profesor guía, Pablo González M., por todo el apoyo, a pesar que estuvo fuera del país un largo tiempo.

A toda mi familia, ya que siempre estuvieron en todo momento, de alguna u otra forma.

A mis hijos, por entregarme cada día, las fuerzas necesarias para seguir adelante.

A Daniela, porque no hubiera sido lo mismo sin ti.

Y a todos los que olvidé en estas líneas, saben que los llevo en el corazón y estaré eternamente agradecido.

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INDICE GENERAL

ÍNDICE DE TABLAS ... 1 

ÍNDICE DE FIGURAS ... 2 

CAPÍTULO I INTRODUCCIÓN ... 4 

1.1 Objetivos y Metas ... 6 

1.1.1 Metas ... 6 

1.1.2 Objetivos Específicos ... 6 

CAPÍTULO II EL RELAVE EN CHILE ... 7 

2.1 Introducción ... 7 

2.2 El Relave ... 7 

2.3 Generación del Relave ... 8 

2.4 Almacenamiento del Relave en Chile ... 9 

2.4.1 Historia ... 9 

2.4.2 Evolución del Diseño de Muros de Presas ... 10 

CAPÍTULO III TIPOLOGÍA DE LAS PRESAS DE RELAVE ... 13 

3.1 Introducción ... 13 

3.2 Ubicación de los Depósitos de Relaves ... 13 

3.3 Tipología de Depósitos de Relaves ... 14 

3.3.1 Según Implantación en Terreno ... 15 

3.3.1.1 Depósitos en Diques de Anillos ... 15 

3.3.1.2 Depósitos Cruzando Valles ... 16 

3.3.1.3 Depósitos en Laderas ... 17 

3.3.1.4 Depósitos en Piso de Valles ... 17 

3.3.2 Según el Método de Descarga de los Relaves... 18 

3.3.2.5 Descarga del Relave Completo ... 18 

3.3.2.6 Construcción del Muro Resistente, con parte del Relave ... 18 

3.3.2.7 Material de Relave Equivalente a un Suelo Húmedo ... 18 

3.3.3 Características de los Muros de Contención ... 20 

3.3.3.8 Método Constructivo del Muro ... 21 

3.3.4 Método de Crecimiento del Muro ... 22 

3.3.4.1 Crecimiento del Muro hacia Aguas Arriba ... 22 

(6)

3.3.4.2 Crecimiento del Muro hacia Aguas Abajo ... 23 

3.3.4.3 Crecimiento del Muro Según Línea Central ... 24 

3.4 Componentes Principales de un Depósito de Relaves ... 25 

3.4.1 Cubeta ... 25 

3.4.2 Muro o Prisma Resistente ... 25 

3.4.3 Muro de Inicio y Muro de Pie ... 26 

3.4.4 Sistema de Descarga y/o Clasificación y Selección de los Relaves ... 26 

3.4.4.4 Canaleta ... 27 

3.4.4.5 Cañería ... 27 

3.4.4.6 Clasificación Natural ... 27 

3.4.4.7 Hidrociclones ... 27 

3.4.5 Volumen de Residuos Sólidos Depositados en la Cubeta ... 28 

3.4.6 Zona de Descarga de los Residuos o Zona de Playa ... 28 

3.4.7 Poza de Aguas Claras ... 28 

3.4.8 Sistema de Recuperación de Aguas ... 29 

3.4.9 Sistema de Drenaje ... 30 

3.4.10 Sistema de Impermeabilización de la Cubeta ... 30 

3.4.11 Canales y Obras de Desvío ... 31 

3.4.12 Vertederos de Seguridad ... 31 

3.4.13 Sistema de Instrumentación ... 31 

CAPÍTULO IV PARÁMETROS DE DISEÑO PARA UNA PRESA DE ARENA ... 31 

4.1 Introducción ... 32 

4.2 Parámetros Preliminares de Diseño De Un Muro de Arena Reciclada ... 32 

4.2.2 Ubicación ... 33 

4.2.3 Parámetros Geotécnicos ... 33 

4.2.3.1 Granulometría ... 33 

4.2.3.2 Densidad de Compactación ... 34 

4.2.3.3 Permeabilidad ... 35 

4.2.3.4 Resistencia al Corte Estático ... 35 

4.2.3.5 Resistencia Cíclica ... 36 

4.3 Actividad Sísmica del Área ... 36 

4.4 Diseño del Talud ... 36 

CAPÍTULO V HISTORIA Y TOPOLOGÍA DE LAS PRESAS CFRD ... 38 

5.1 Introducción ... 38 

5.2 Historia ... 38 

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5.3 Principales Características de la Presa CFRD ... 42 

5.4 Consideraciones del Lugar ... 43 

5.5 Ventajas y Desventajas ... 43 

5.6 Características Presa CFRD ... 44 

5.6.1 Zonas Importantes del Muro Principal... 44 

CAPÍTULO VI ESTIMACIÓN DE PARÁMETROS DE DISEÑO PRESA CFRD ... 47 

6.1 Introducción ... 47 

6.2 Consideraciones para el diseño ... 47 

6.2.1 Suelo de Fundación ... 47 

6.2.2 Plinto (o muro de partida) ... 48 

6.2.3 Diseño del muro de roca ... 49 

6.2.4 Cara de Hormigón ... 52 

6.3 Comportamiento de la roca ante deformaciones ... 52 

6.4 Muro de Roca ... 54 

6.4.1 Disposición y Compactación ... 54 

6.5 Módulo de Elasticidad ... 55 

CAPÍTULO VII MODELACIÓN EN SAP2000 ... 57 

7.1 Introducción ... 57 

7.2 Descripción de la modelación ... 57 

7.3 Estados de Carga Considerados ... 60 

7.3.1 Peso Propio ... 60 

7.3.2 Carga Sísmica ... 62 

7.4 Combinaciones de Carga ... 63 

7.4.1 Combinaciones de Carga según ACI-318 ... 63 

7.4.2 Según NCh 433, of 96. ... 64 

7.5 Resultados de la modelación ... 64 

7.5.1 Desplazamientos horizontales máximos ... 65 

7.5.2 Asentamientos Máximos ... 65 

7.5.3 Esfuerzos en eje X... 66 

7.5.4 Esfuerzos en el eje Z. ... 67 

7.5.5 Deformaciones Basales del Muro CFRD ... 67 

7.5.6 Deformaciones en el muro aguas arriba de la presa ... 68 

(8)

CAPÍTULO VIII ANÁLISIS ECONÓMICO ... 70 

8.1 Evaluación Económica ... 70 

8.2 Supuestos Evaluación Económica ... 70 

8.2.1 Supuestos Generales ... 70 

8.2.2 Inversión Inicial ... 71 

8.2.3 Operación y Mantención ... 72 

8.2.4 Costos de Manejo de Aguas Claras ... 73 

8.2.5 Costo de Cierre... 73 

8.3 Evaluación del Proyecto ... 74 

8.3.1 Valor Actual Neto ... 74 

8.3.2 Cálculo del Valor Actual Neto ... 74 

8.3.2.1 Valor Actual Neto para el muro CFRD (VAN1). ... 74 

8.3.2.2 Cálculo del Valor Actual Neto para el muro de Arena. ... 75 

CAPÍTULO IX CONCLUSIONES ... 77 

BIBLIOGRAFÍA ... 79 

A N E X O S ... 81 

ANEXO “A”: PROCESO PRODUCTIVO DEL COBRE ... 82 

ANEXO “B”: DETALLES MODELO EN SAP2000 ... 94 

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ÍNDICE DE TABLAS

Tabla 4-1: Condiciones Ideales de Diseño ... 33 

Tabla 4-2: Parámetros Geotécnicos de arenas presas de relaves en Chile ... 34 

Tabla 4-3: Parámetros Geotécnicos de las Arenas Recicladas de Tórtolas y Torito ... 34 

Tabla 4-4: Características de Compactación de Algunas de Presas de Relaves en Chile ... 35 

Tabla 4-5: Tipos de Suelo y Constante “k” de permeabilidad ... 35 

Tabla 4-6: Factores de Seguridad Mínimos ... 37 

Tabla 5-1: Presas CFRD en América Latina y Chile... 40 

Tabla 6-1: Resumen de la historia del uso del CFRD en depósitos de agua. ... 53 

Tabla 7-1: Propiedades Mecánicas de Rocas ... 58 

Tabla 7-2: Datos de Entrada, programa SAP2000 ... 60 

Tabla 7-3: Resumen de Cargas Modelación SAP2000 ... 63 

Tabla 7-4: Denominación de los esfuerzos... 64 

Tabla 7-5: Desplazamientos Nodales Basales ... 68 

Tabla 7-6: Desplazamientos de Muro Aguas Arriba de la Presa ... 69 

Tabla 8-1: Resumen Supuestos Generales ... 71 

Tabla 8-2: Valores de Instalación e Inversión ... 72 

Tabla 8-3: Inversión y Cantidad de Etapas muro CFRD ... 72 

Tabla 8-4: Costos de Operación para muro de arena y muro CFRD ... 73 

Tabla 8-5: Costo de Manejo de Aguas Claras para muro CFRD y Arena... 73 

Tabla 8-6: Costo de Cierre de un depósito de relaves ... 73 

Tabla 8-7: Valor Actual Neto para muro CFRD ... 75 

Tabla 8-8: Valor Actual Neto Para un muro de Arena reciclada ... 76 

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ÍNDICE DE FIGURAS

Figura 2-1: Diagrama de Flujo, Proceso de Flotación ... 8 

Figura 2-2: Tranque de Relaves El Mauro, Minera Los Pelambres ... 11 

Figura 2-3: Tranque de Relaves Ovejería, Codelco Chile ... 12 

Figura 3-1: Tipos de Depósito en Diques en Anillos ... 16 

Figura 3-2: Tipos de Depósitos cruzando valles. ... 16 

Figura 3-3: Tipos de Depósitos en Laderas ... 17 

Figura 3-4: Tipos de Depósitos en Valle ... 17 

Figura 3-5: Disposición de Relaves Espesados ... 20 

Figura 3-6: Método de Construcción Aguas Arriba ... 22 

Figura 3-7: Método Aguas Abajo ... 23 

Figura 3-8: Método de la Línea Central ... 25 

Figura 3-9: Muro de Inicio y Sistema de Drenaje, Tranque de Relaves Ovejería ... 26 

Figura 3-10: Esquema de Funcionamiento Hidrociclones ... 28 

Figura 3-11: Elementos de Tranque de Relaves “Las Tortolas” ... 29 

Figura 3-12: Sistemas de Drenes ... 30 

Figura 4-1: Dovelas de Talud Homogéneo... 37 

Figura 5-1: Construcción de presas CFRD durante entre 1890-2010 (proyectado) ... 40 

Figura 5-2: Vista Frontal, Presa Foz de Areia, Brasil ... 41 

Figura 5-3: Vista Satelital de la Presa Foz de Areia ... 41 

Figura 5-4: Muro Típico CFRD... 44 

Figura 5-5: Detalle 1 Muro Principal ... 45 

Figura 6-1: Diseño típico de Plinto ... 48 

Figura 6-1: Diseño de la Junta de Filtración... 49 

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Figura 6-2: Bandas Granulométricas Estimadas para el Muro ... 50 

Figura 6-3: Detalle 2 Muro Principal Base Aguas Arriba ... 51 

Figura 6-4: Detalle 3 Muro Principal Coronamiento... 52 

Figura 6-5: Trayectoria de Esfuerzos en un ensayo triaxial. ... 54 

Figura 6-6: Parámetros asociados al Módulo de Elasticidad durante la construcción ... 55 

Figura 6-7: Parámetros asociados al Módulo de Elasticidad asociado al llenado ... 55 

Figura 7-1: Modelación en SAP2000 ... 59 

Figura 7-2: Áreas de sectores 3 A y 3 B. ... 61 

Figura 7-3: Descarga Presión Hidrostática del muro ... 61 

Figura 7-4: Posición del centro de masa del muro de roca. ... 63 

Figura 7-5: Convención de Signos ... 64 

Figura 7-6: Disposición de ejes locales en elementos “shell”. ... 65 

Figura 7-7: Desplazamientos Horizontales (en 10-3 metros) ... 65 

Figura 7-8: Asentamientos (en 10-3 metros) ... 66 

Figura 7-9: Esfuerzos Horizontales Máximos (en T/m2)... 66 

Figura 7-10: Esfuerzos Verticales Máximos (en T/m2) ... 67 

Figura 7-11: Esquema de Puntos Basales ... 67 

Figura 7-12: Esquema de Puntos Cara Aguas Arriba de la Presa. ... 68 

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CAPÍTULO I

INTRODUCCIÓN

Chile posee la mayor cantidad de reservas de cobre en el mundo. Su alto precio en el mercado de metales, en promedio, de US$ 3.00 / libra de cobre fino durante 2007, hace rentable casi cualquier proyecto de explotación de este mineral, debido a que su precio ha aumentado casi un 400% con respecto al año 2003, principalmente por la alta demanda proveniente de países asiáticos como por ejemplo, China (Banco Central de Chile, 2004).

La producción de este mineral, sin embargo, genera una importante cantidad de desechos, principalmente en la etapa de flotación. Este desecho compuesto principalmente por agua, limo, minerales y químicos, es conocido como “relave”. Este desecho, altamente tóxico, es muy nocivo para el medioambiente y para las personas por su alta concentración de químicos necesarios para la obtención del concentrado de cobre, por lo que su disposición cobra vital importancia en cualquier proyecto de explotación.

Existen muchas y variadas formas para disponer del relave, que dependen del volumen de producción del yacimiento y el costo final por tonelada de relave colocada en el depósito. Dentro de las alternativas existentes, aprobadas en el “Reglamento para la Aprobación de Proyectos de Diseño, Construcción, Operación y Cierre de Depósitos de Relaves”, son las siguientes (Ramírez, 2007):

• Presas de Relaves

• Depósitos de Relaves Espesados

• Depósitos de Relaves Filtrados

• Depósito de Relaves en Pasta

Este estudio no analiza todas las alternativas, simplemente se enfoca en el estudio de un nuevo sistema de construcción para presas de relave en Chile.

Existen distintas metodologías para construir una presa de relaves. Algunos ejemplos son: hormigón, material granular, roca, arena reciclada; una combinación de materiales:

hormigón-roca, material granular-roca. La mejor solución depende de las necesidades del

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proyecto, además del capital que se está dispuesto a invertir. Además, esta construcción debe proyectarse durante los años que dure la operación y debe considerar el tiempo necesario para la evaporación del agua remanente, una vez terminado el ciclo operativo de la presa.

El tipo de construcción más utilizado en Chile es una presa con muros de arena reciclada. Esta arena proviene del mismo relave que pasa por hidrociclones que clasifican el material en agua con finos y arena. Este último material es depositado en el muro, para su compactación y se hace de manera constante, construyendo así, el muro de arena.

Existe una vasta experiencia en la construcción de este tipo de muros, en términos de ejecución y operación del proyecto, debido a la cantidad de estudios relacionados con la estabilidad y comportamiento estructural del talud. Además que tiene un bajo costo de operación y mantención.

Sin embargo, esta alternativa tiene como principal desventaja la gran superficie basal necesaria para su construcción. Es por eso que deben considerarse otras alternativas, para optimizar los recursos y minimizar los costos del proyecto.

La construcción de una presa de hormigón para relaves es técnicamente factible, pero es una inversión muy alta, considerando que es sólo un depósito de desechos. Sin embargo, es posible combinar la característica impermeabilizante de una cara de hormigón armado con un muro de roca que resista las cargas sísmicas e hidrostáticas. Un diseño óptimo entrega como resultado una cara de hormigón con mínimos agrietamientos y el muro de roca es capaz de soportar las presiones de poros que se generan por el relave que circula en el interior, en caso de la fractura de la cara de hormigón.

Este tipo de presas, conocido como Presas de Roca con Pantalla de Homigón o Concrete Faced Rockfill Dam (C.F.R.D, con sus siglas en inglés) es utilizado mundialmente en obras de captación de agua de riego o centrales hidroeléctricas, pero en presas de relaves, no existe una masificación ni estudios relacionados.

El principal beneficio de utilizar una presa CFRD es que las alturas de coronamiento son mayores que los actuales muros de arena, con un menor talud de desarrollo. Los muros de

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arena reciclada el talud mínimo es H/V = 4/1 con una altura media de 110 metros, mientras que un muro CFRD es H/V = 1.5/1 con alturas que pueden llegar hasta los 250 metros.

La construcción por etapas del muro CFRD minimiza el costo de inversión inicial, lo que afecta positivamente el desarrollo de un proyecto. Además, la mantención se reduce considerablemente, ya que no se utilizan maquinas de compactación vibratorias durante la mantención del muro.

Este estudio pretende analizar la factibilidad técnica y económica de utilizar este tipo de presas para disposición de relaves.

1.1 Objetivos y Metas

1.1.1 Metas

Realizar un estudio técnico y económico una presa de relaves construida con el sistema CFRD, de modo que pueda ser utilizado para consultas sobre este sistema.

1.1.2 Objetivos Específicos

Un análisis técnico de una presa CFRD involucra aspectos relativos a diversas disciplinas, por ejemplo hidráulica, geotecnia, estructuras de hormigón, mecánica y dinámica de suelos. El presente trabajo tiene por objetivo estimar el comportamiento estructural y geomecánico del muro de la presa frente a solicitaciones de servicio y eventuales. Para esto, se realiza una modelación en el programa SAP2000, utilizando elementos tipo “Shell” que permiten extrapolar los resultados obtenidos, a toda la estructura. Además, se realiza un análisis económico, considerando costos de implementación, operación y cierre. Este análisis se compara con un muro de arena reciclada de la misma altura y ubicación con el propósito de ver su rentabilidad, utilizando los costos de una presa de relaves estudiados por Andía y Lagos.

Este estudio debe ser útil como base para un diseño sustentable y rentable.

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CAPÍTULO II

EL RELAVE EN CHILE

2.1 Introducción

La gran minería en Chile almacena el relave en presas artificiales con muros de arena reciclada, debido a su bajo costo de implementación. Esta arena se obtiene tratando el relave mediante un conjunto de hidrociclones, que permiten la separación de agua, material fino y material grueso del relave. El material grueso es depositado en el muro para su compactación.

Una vez extrae el material grueso, la fracción de agua + limos se deposita hidráulicamente en la laguna artificial. Por la pendiente y proceso de decantación, se logra recuperar agua para el proceso de molienda, permitiendo que sea reutilizada en el proceso de obtención de cobre (llegando al 85% del total de agua utilizada), minimizando la utilización de agua fresca, que se obtiene de vertientes naturales.

Por cada tonelada de mineral extraído, se obtiene en promedio entre un 0,85% a 1.1%

de cobre fino (es decir, 8,5 kg a 11 kg de cobre fino por tonelada de mineral). Si durante 2007, se extrajeron 1.665.000 toneladas de cobre fino, en promedio se produjeron 175.263.157 toneladas de relaves (Codelco Chile, 2008).

En este capítulo se resumirá su historia y disposición de este desecho en nuestro país.

2.2 El Relave

El relave es principalmente limos arenosos de baja o nula plasticidad (IP<5%) y un contenido promedio entre 50 y 65% de finos (Montani y Barrera, 2005).

Una definición más exacta es que corresponde principalmente a un material arenoso constituido fundamentalmente por sólidos tales como: arenas de sílice, micas, feldespatos, óxidos y sulfuros de fierro, una variedades de sustancias de origen rocoso y otros, que contiene un porcentaje importante de agua y roca molida sedimentada, que se manifiesta en forma de pulpa liquida o semi-liquida, o en estado sólido una vez desalojado el exceso de agua (Márquez, 2003).

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2.3 Generación del Relave

Para producir concentrado de cobre, que es el producto que va a fundición, para obtener los cátodos de cobre, que es el producto final que se comercializa, el mineral debe pasar por un largo proceso. Para más detalles del proceso, referirse al Anexo “A”.

El subproceso en que se obtiene el relave se inicia en el proceso de flotación, donde se agregan productos químicos, que permiten crear las burbujas que rebosan en las celdas. Este proceso, básicamente, trata de obtener ese rebose el concentrado de cobre, a través de recirculación por celdas de flotación. Este rebose tiene un 31% de concentración de cobre aproximadamente. El barro que se genera el proceso de flotación evacua por el fondo de las celdas y contiene una cantidad importante de químicos, limos y arena. Este desecho o barro mineral es el “relave” (Codelco Educa, 2005). En la figura 2-1 se muestra un diagrama esquemático del proceso.

Figura 2-1: Diagrama de Flujo, Proceso de Flotación Fuente: www.codelcoeduca.cl

El relave deriva a los espesadores, elemento que cumple 2 funciones: Recupera agua para el proceso de molienda y espesa la pulpa de relave, para su posterior transporte hacia la presa.

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2.4 Almacenamiento del Relave en Chile

2.4.1 Historia

A comienzos del siglo pasado, se construye la primera presa de relaves importante en Chile. En ese entonces, The Braden Copper Co., propietario de Mina el Teniente, construye 3 presas de relaves en el río Coya. La primera, construida en 1913, alcanzó 10 m de altura de coronamiento, pero una severa tormenta que aumenta el volumen del depósito, provoca que sea sobrepasada por el relave, destruyéndola. La segunda presa, alcanzó 33,5 m. Durante la construcción, se producen dos deslizamientos de tierra: el primero, porque el agua sobrepasa la presa (1914) y el segundo, por la destrucción del acueducto de desvío del río Cachapoal, que finalmente la destruye. Finalmente, la tercera y última presa construida, alcanza una altura de 40 mts, pero se provoca un deslizamiento de tierra por casi el 50% del largo total, lo que produce que la altura de coronamiento baje 12 m., Este hecho provoca que la presa nuevamente sea sobrepasada, siendo destruida por completo (ICOLD, 1985).

En 1917, la misma compañía construye la presa de relaves Barahona, ubicada en el afluente del mismo nombre del río Cachapoal, alcanzando una altura de 65 m., que durante 1928 colapsa debido a un gran sismo que afectó la zona durante ese año, causando la muerte de 54 personas.

El método de construcción utilizado por las 4 presas anteriormente citadas fue el de

“aguas arriba” (ver Sección 2.3.4.1) y el colapso de cada una de ellas provoca una importante contaminación en el río Cachapoal, utilizado principalmente por agricultores para el regadío.

A pesar de los antecedentes y no tomando en consideración la poca resistencia sísmica que entregaba este tipo de construcción, el método “aguas arriba” sigue utilizándose por décadas, ya que estos eventos no son de conocimiento público, debido a que las presas se ubican en lugares remotos.

Sin embargo, durante la década de 1960, la presa de relaves “El Cobre”, cuyo propietario es de la mina “El Soldado” colapsa, debido a un fuerte sismo ocurrido en La Ligua el 28 de marzo de 1965. La presa queda completamente destruida y provoca la muerte de 35 personas pertenecientes al campamento minero existente aguas abajo de la presa.

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Este hecho provoca que las autoridades gubernamentales revisen los criterios de diseño y en 1970 se promulga el D.S. nº 86, que reglamenta la operación y diseño de presas de relave. En este decreto, se prohíbe terminantemente construir presas de relaves con la técnica

“aguas arriba” (ICOLD, 1985).

En la actualidad, el decreto D.S. nº 86 se fusiona con otros relacionados a los depósitos de relaves, creando así el actual decreto D.S. nº 248 del Ministerio de Minería, que establece el reglamento para la aprobación, diseño, construcción, operación y cierre de depósitos de relaves.

2.4.2 Evolución del Diseño de Muros de Presas

Antiguamente, para la construcción de un muro de arena reciclada, el relave no pasaba por “hidrociclones”. Al pasar por los hidrociclones, la fracción gruesa del relave (arena) se separa de la fina (limos) y del agua. Por tanto, el relave se depositaba directamente en el muro con el método de construcción “aguas “arriba”. Este muro, sometido a un sismo, provoca la licuación de las arenas bajo el muro, lo que finalmente provoca el colapso del muro.

Después de los lamentables hechos ocurridos con la presa de relaves “El Cobre”, todas las empresas mineras revisan sus diseños y adoptan diseños mucho más conservadores.

Los diseños conservadores pueden verse reflejados inmediatamente después de 1970.

Como ejemplo está la construcción de El Cobre nº 4 (Disputada Las Condes, 1969), Colihues A (Teniente, 1974), Piuquenes (Andina, 1977) y Pérez Caldera (Disputada Las Condes, 1978).

Durante la década de los 1980 y 1990, la producción de cobre tiene un salto importante. Como consecuencia, se construyen más presas de relaves con arena reciclada y con mayor capacidad. Durante este período, se comienza a dar mucha importancia al tema medioambiental.

La mayoría de las presas construidas durante esta époco, son construidas con arenas cicloneadas, con la metodología de construcción “aguas abajo”. Se incorporan los avances en

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mecánica y dinámica de suelos a los diseños que están fuertemente regulados por el decreto D.S. 86/1970.

El gran problema que presentan los muros de arena reciclada es que necesitan una superficie basal muy extensa, de modo que el desarrollo horizontal del talud asegure su estabilidad, con un mínimo de V/H = 1/4, que depende exclusivamente de la calidad de la fracción gruesa del relave (Peña et al, 1996). Esto también influye en la altura de coronamiento, que normalmente son bajas (150 m. a 200 m.).

Estos muros han crecido de tamaño durante las últimas décadas, por el aumento en la explotación minera (Montani y Barrera, 2005), además de los avances y la experiencia existente en el campo. Se han desarrollado nuevas técnicas de diseño y análisis, lo que permiten asegurar un diseño estable y seguro.

El tranque de relaves “El Mauro” de Minera Los Pelambres que se muestra en la figura 2-2, es un claro ejemplo de la evolución del diseño de presas con muros de arena reciclada, hacia nuestros días. Esta presa posee un muro con una altura final proyectada de 240 m. Esta proyectado para 4 etapas de construcción. Esta presa de relaves almacena los desechos de la expansión de la Mina Los Pelambres, que ha proyectado su vida útil por 40 años más, lo que significa que el tranque proyecta un almacenamiento de 1.700 millones de toneladas de relaves, aproximadamente.

Figura 2-2: Tranque de Relaves El Mauro, Minera Los Pelambres Fuente: http://www.lanacion.cl

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Otro ejemplo es el tranque de Relaves Ovejería, de División Andina de Codelco Chile, que se muestra en la figura 2-3.

Figura 2-3: Tranque de Relaves Ovejería, Codelco Chile Fuente: http://www.codelco.com

Este tranque tiene una altura final proyectada de 120 metros, con un talud V/H = 1/4 y almacena los desechos producidos por la División durante los próximos 20 años, con una tasa de incremento de altura estimada de 2,5 metros por año.

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CAPÍTULO III

TIPOLOGÍA DE LAS PRESAS DE RELAVE

3.1 Introducción

La disposición de relaves en Chile es regulada por el Ministerio de Minería, mediante el decreto D.S. nº 248 “Reglamento para la Aprobación de Proyectos de Diseño, Construcción, Operación y Cierre de los Depósitos de Relave”. El decreto dicta pautas generales relativas a los aspectos mencionados de los depósitos de relaves en Chile.

En este capítulo se mencionan los aspectos generales entregados por el decreto D.S.

nº 248, además hacer un reseña a los componentes de un depósito de relaves con estructura de retención.

3.2 Ubicación de los Depósitos de Relaves

Para la determinación adecuada de un lugar que permita el almacenamiento de los residuos minerales proveniente de los procesos de concentración, es necesario realizar el análisis de las diferentes características que presentan los emplazamientos, a partir de variables legislativas, ambientales, económicas y productivas principalmente, siendo la siguiente información la mínima requerida para una alternativa de ubicación (Márquez, 2002):

• Reglamentación existente

• Características sísmicas del lugar.

• Características hidrológicas del lugar.

• Características topográficas.

• Características geológicas y geotécnicas del terreno de fundación.

• Características de los relaves.

• Niveles de producción de relave.

• Potencial disponibilidad de arena a partir de los relaves.

• Relación del proyecto con el medio ambiente y eventuales restricciones.

• Costos de operación.

• Facilidad de operación de todas las obras que componen el depósito.

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• El sitio debe ser capaz de contener en lo posible la totalidad de la producción de relave, en forma ininterrumpida durante toda la vida útil de la obra.

Todos estos aspectos corresponden a factores generales, debiendo ser considerados en la elección y localización de un depósito de residuos. Para la elección de un emplazamiento se deberá analizar cada alternativa por separado, evaluando cada factor en forma particular y su incidencia en el comportamiento global del depósito (Márquez, 2002).

Dentro de los nuevos estándares, existe uno relacionado con la ubicación.

Considerando que la mayoría de los yacimientos se encuentra en la alta montaña, se optó por construir los nuevos tranques en el valle central. Con esto, se puede aumentar el volumen del depósito, ya que el área de depósito es más plana y extendida, con lo que se puede hacer con muros más pequeños, que es mucho más seguro que depositarlas en alta montaña, con muros más altos, debido a que la masa de relave tendría una energía potencial altísima que, en caso de que el muro colapse, puede provocar daños imposibles de cuantificar al entorno del valle en que se encuentre.

3.3 Tipología de Depósitos de Relaves

Existen diversos factores que deben considerarse para la localización de un depósito.

En el pasado, la elección de una alternativa de emplazamiento solía basarse casi exclusivamente en los costos de operación, pero actualmente las consideraciones ambientales han incrementado su importancia pasando en algunos casos a estar por encima de las económicas.

Los depósitos de relaves, se pueden distinguir de acuerdo a elementos característicos, clasificándolos en forma general, según el lugar de localización y la forma de disposición del material, logrando con ello, establecer un marco general como el que se describe a continuación (Márquez, 2007).

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3.3.1 Según Implantación en Terreno

La elección del emplazamiento de un depósito de residuos se debe basar en criterios de diversa naturaleza. Uno de estos, corresponde al estudio de la instalación del depósito a partir de las formas naturales del terreno.

La localización en terreno del depósito dependerá fundamentalmente de las características topográficas del sector, la cantidad de material a almacenar, las alteraciones que pueden producirse sobre el medio natural y las restricciones ecológicas existentes en el área de implantación.

La topografía es un factor básico, que influye en aspectos como altura y dimensiones de los depósitos. La pendiente de los terrenos es el factor principal que intervendrá en el ritmo de crecimiento y altura alcanzada por los depósitos.

Una vez determinada la zona de ubicación del depósito, es posible desarrollar éste de dos maneras y a medida que se lleva a cabo la disposición del material. Estas corresponden a la formación de celdas simples y múltiples, la primera corresponde a la utilización total del lugar desde el comienzo y la segunda, a la iniciación del lugar utilizando porciones más pequeñas y luego expandiéndolas lateralmente mediante la construcción de una serie de terraplenes o muros segmentados, a medida que los primeros han ido llenándose de material.

Según las características de las formas naturales del terreno, se tienen los siguientes diseños de depósitos:

3.3.1.1 Depósitos en Diques de Anillos

Estos depósitos se usan en terrenos planos donde las depresiones topográficas o no están, o son deficientes lo cual minimiza la capacidad de relleno de la presa. Por lo general, este tipo de depósito requiere la construcción de muros de geometría cuadrangular en planta, para el almacenamiento de los residuos, tal como lo muestra la figura 3-1. La altura de sus muros es relativamente baja debido a dos motivos:

• El gran volumen de material que se utiliza en su construcción.

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• La acción eólica que constituye una fuente importante de dispersión del material, debido a la localización del emplazamiento.

Figura 3-1: Tipos de Depósito en Diques en Anillos

Fuente: Estudio de Diseños y Operaciones En Los Depósitos De Relaves

3.3.1.2 Depósitos Cruzando Valles

Estos depósitos tienen la característica de maximizar los volúmenes de almacenamiento en cañones estrechos, pero son apropiados únicamente en o cerca de la cabeza del valle, donde los flujos de entrada pueden ser minimizados. Presenta la ventaja que la presa requerirá una menor cantidad de material para su construcción debido a que las laderas del valle son utilizadas como elementos de contención, como lo muestra la figura 3-2.

Por otra parte, este tipo de depósitos presenta menores peligros respecto a la dispersión aérea del material.

Figura 3-2: Tipos de Depósitos cruzando valles.

Fuente: Estudio de Diseños y Operaciones En Los Depósitos De Relaves

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3.3.1.3 Depósitos en Laderas

Estos depósitos son adecuados en laderas rocosas de pendientes suaves menores a un 10 %. Por otra parte, su construcción requerirá, como lo muestra la figura 3-3, una gran cantidad de material si se necesita construir una presa de altura y con una mayor capacidad de almacenamiento.

Figura 3-3: Tipos de Depósitos en Laderas

Fuente: Estudio de Diseños y Operaciones En Los Depósitos De Relaves 3.3.1.4 Depósitos en Piso de Valles

Estos depósitos se presentan cuando el flujo de entrada de aguas es demasiado para un depósito cruzando valle y la ladera del terreno tiene una pendiente pronunciada para un depósito en ladera, de acuerdo a lo mostrado en la figura 3-4, se considerará la combinación de ambos métodos denominado en piso de valle. Por otra parte, los cauces que generan un importante flujo de entrada son desviados alrededor del depósito.

Figura 3-4: Tipos de Depósitos en Valle

Fuente: Estudio de Diseños y Operaciones En Los Depósitos De Relaves

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3.3.2 Según el Método de Descarga de los Relaves

Esta clasificación, define las alternativas de almacenamiento de los relaves en relación con la disposición de los volúmenes de material en el lugar seleccionado y su necesidad de ubicar algún elemento de contención en él.

De lo indicado anteriormente, existen las siguientes formas de tratamiento:

3.3.2.5 Descarga del Relave Completo

En este método, se requiere disponer de un espacio suficientemente grande que permita almacenar todos los relaves que se producirán durante la vida útil de la planta. Para ello, pueden utilizarse cavidades preexistentes como: rajos mineros abandonados, depresiones naturales en superficies, cavernas naturales, antiguas minas subterráneas abandonadas, etc. En cualquiera de estos casos, se deben realizar estudios y demostrar que no se afectará el medio ambiente. También se puede construir un muro perimetral hecho con material de empréstito y generar así una cubeta de depositación.

3.3.2.6 Construcción del Muro Resistente, con parte del Relave

Esta opción corresponde al tratamiento de los relaves a través de una separación del material, obteniendo por una parte la fracción gruesa (arenas de relave), la cual es utilizada como elemento de construcción del muro perimetral y la fracción fina (lamas) para ser descargadas a la cubeta del embalse. Al realizar la construcción del muro utilizando las arenas de los relaves, es posible realizarlo de tres formas distintas (Ramírez 2007; Márquez, 2002):

• Crecimiento del muro hacia aguas arriba

• Crecimiento del muro aguas abajo

• Crecimiento del muro según línea central

3.3.2.7 Material de Relave Equivalente a un Suelo Húmedo

Esta opción, requiere tratar los relaves 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.

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En este tipo de depósitos, los relaves pueden ser espesados al aumentar su concentración de sólidos en agua, mediante sedimentación en estanques espesadores (método de relaves espesados), y/o filtrados lo cual reduce drásticamente su contenido de humedad a través de equipos mecánicos de filtros, prensas o de bandas (método de relaves filtrado).

El primer caso corresponde a los relaves espesados, en él se utiliza el llamado método de Robinsky que consiste básicamente en la formación de un domo de relaves espesados que sea auto-estable, a través de la descarga en el centro del embalse. La pendiente de este domo varia aproximadamente entre 0.8% a 8%.

Este método ha sido utilizado en Chile (depósito “Las Vacas” de la planta Don Alberto, IV Región), pero el mismo requiere disponer de superficies extensas y relativamente planas, un régimen pluviométrico bajo, una sismicidad no muy extensa y una necesidad de recuperación de aguas que justifique el costo de espesar los relaves.

En el caso del método de relaves filtrado, consiste como indica su nombre en filtrar los relaves utilizando cualquiera de los diversos tipos de filtros entre los cuales destacan los filtros-prensa y los filtros al vacío.

Al utilizar los filtros-prensas, la pulpa de relave es bombeada a presión hacia una cámara construida por paredes de tela extremadamente fina y resistente, la que posteriormente es comprimida mecánicamente.

Por otra parte, en el procedimiento de los filtros de vacío la pulpa se deposita generalmente sobre una correa sinfín, provista de orificios y protegida por una tela muy fina y resistente, por debajo de la cual se produce el vacío en determinados sectores.

En cualquiera de los casos de filtrado de relaves, el material puede descargarse vía correa transportadora o bien mediante equipos de movimiento de tierras. En el primero de los casos, se logra un domo de material similar al método de Robinsky; mientras que al emplear los equipos de movimiento de tierra se logra ir construyendo módulos de material compactado, los cuales permiten conformar un depósito aterrizado de gran volumen. Los esquemas de la disposición se muestran en la figura 3-5.

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En nuestro País se ha utilizado éste método de construcción (“El Peñon” y “Mantos Blancos” de la II Región, “La Coipa” y “Can Can” de la III Región y “El Indio” de la IV Región). Finalmente es importante señalar que este procedimiento, aunque logra un contenido de humedad entre un 20% a un 30%, permitiendo 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 eficacia del filtrado.

Figura 3-5: Disposición de Relaves Espesados Fuente: Estudio de Diseños y Operaciones de Relaves 3.3.3 Características de los Muros de Contención

Los muros de contención, como indica su nombre son los elementos que permiten retener los residuos que son descargados en el depósito.

Presentan diferentes posibilidades de formación de depósitos de relaves, en relación con los siguientes aspectos constructivos y de crecimiento que poseen los muros (Márquez, 2002).

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3.3.3.8 Método Constructivo del Muro

De acuerdo al material de crecimiento del muro de contención, se clasifican de la siguiente forma:

• Muro de Contención Convencional: Este tipo de muro se utiliza especialmente en las presas de embalses de aguas, lo que constituye una técnica ampliamente desarrollada en todo el mundo. La diferencia fundamental entre un embalse destinado a la acumulación de aguas y uno destinado a los relaves, es que mientras el embalse para agua se construye de una vez con su capacidad definida, el embalse para relaves se ejecuta por etapas a medida que se avanza con el depósito de los relaves.

El muro es construido con materiales diferentes del relave (tipo convencional). En este caso, el relave es depositado directamente hacia la cubeta de tranque sin realizar el proceso de ciclonado.

El crecimiento del muro se puede ir realizando en etapas sucesivas, de acuerdo al aumento de cota del relave embalsado con la finalidad de no anticipar inversiones y reducir a un mínimo su valor presente.

Este tipo de depósitos de relaves aunque son seguros debido a su método de crecimiento, puesto que se puede controlar fácilmente los materiales de construcción del muro, sueles ser de costos generalmente elevados (Márquez, 2002).

• Muro de Contención de Relaves: Este tipo de muros se utiliza en aquellos depósitos en los cuales el relave es sometido a un proceso de clasificación en hidrociclones, que permiten separar el material en una fracción gruesa y otra fina a través de la fuerza centrífuga que emplea estos dispositivos mecánicos.

Con la fracción gruesa proveniente de esta clasificación se construye el muro de contención y la parte fina, denominada lamas, se deposita directamente en la cubeta del tranque (Márquez, 2002).

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3.3.4 Método de Crecimiento del Muro

Existen tres métodos desarrollados en el ámbito de diseño de crecimiento de los muros.

3.3.4.1 Crecimiento del Muro hacia Aguas Arriba

Como lo muestra la figura 3-6, este método de construcción consiste en un muro inicial construido con material de empréstito compactado, sobre el cual se inicia la depositación de los relaves. La fracción más gruesa (o arena) se deposita junto al muro inicial, mientras que la fracción más fina o lamas, se deposita hacia el centro del tranque en un punto más alejado del muro, formando una laguna de sedimentación. El problema de este tipo de construcción es que la altura de coronación es baja (25 mts. aproximadamente) y no es un muro estable frente a oscilaciones sísmicas (Ramirez, 2007). Además la totalidad del muro resistente, va quedando fundado sobre estratos de lamas saturadas y sin compactar, luego son licuables en caso de ocurrencia de un sismo, lo que provocaría un colapso total del muro y el vaciamiento del embalse (Márquez, 2002).

Figura 3-6: Método de Construcción Aguas Arriba Fuente: Manual de Operaciones de Tranques de Relaves

Este método de crecimiento del muro no es contemplado en nuestra legislación principalmente porque se construye sobre material de relave sin consolidación, es decir, se levanta un depósito inicial o de partida y posteriormente se eleva periódicamente la fracción gruesa del relave hacia el interior de la cubeta del depósito (Márquez, 2002).

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Esta forma de crecimiento no permite la construcción de drenajes en la fundación del muro debido a las lamas, lo que lleva a que el nivel freático en el interior del muro sea muy elevado, disminuyendo así su resistencia efectiva (Márquez, 2002).

3.3.4.2 Crecimiento del Muro hacia Aguas Abajo

La figura 3-7 indica el la secuencia del método aguas abajo. Este método de crecimiento del muro es uno de los más desarrollados en nuestro país y acapara un consenso general a su favor, principalmente por la necesidad de requerir tranques de mayor tamaño y seguridad (Márquez, 2002).

Figura 3-7: Método Aguas Abajo

Fuente: Guía de Operaciones de Tranque de Relaves

En el método de crecimiento del muro hacia aguas abajo, la presa se levanta en dirección opuesta a la cubeta del depósito y por lo tanto, no está apoyada sobre relaves depositados previamente (Márquez, 2002).

Las principales ventajas de este método son las siguientes (Márquez, 2002):

• Nada se construye sobre relave previamente depositado y compuesto por material suelto y fino.

• Controles de relleno y compactación pueden ser aplicados como se desee durante la operación de relleno.

• Sistemas de drenajes pueden instalarse según sea necesario durante la construcción.

El drenaje por debajo permite controlar la línea de saturación a través de la presa aumentando su estabilidad.

• La presa puede ser diseñada y después construida con un buen grado de seguridad, incluyendo resistencia a los esfuerzos sísmicos.

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• Permite prevenir las filtraciones colocando una membrana impermeable al interior del depósito la que se extiende cada vez que aumente la altura de la obra.

• Normalmente la presa puede levantarse por sobre la altura original con un mínimo de modificaciones de diseño. Esto es muy importante pues en la mayoría de las minas la reserva original puede agrandarse por nuevos descubrimientos; precios más altos para el metal, nuevos métodos de extracción, etc.

Por lo expuesto anteriormente, éste es el método que conduce a mayores factores de seguridad para ser recomendado en zonas de alto riesgo sísmico (Márquez, 2002).

La desventaja de este método es el considerable volumen de arenas que se requiere para levantar la presa, existiendo la posibilidad que la arena de relave no sea suficiente, entonces habría que emplear material de préstamo lo que haría elevar el costo de construcción (Márquez, 2002).

Como se ha mencionado, las presas con muros resistentes arenas de relaves construidas por este método, pueden alcanzar grandes alturas y/o grandes áreas de depositación (Márquez, 2002).

3.3.4.3 Crecimiento del Muro Según Línea Central

La figura 3-8 muestra el método de la línea central, que se inicia al igual que el método aguas abajo, es decir, con un muro de partida construido con material de empréstito compactado, sobre el cual se depositan las arenas hacia el lado de aguas abajo y las lamas hacia el lado de aguas arriba. Una vez completado el vaciado de arenas y lamas, siguiendo el mismo plano vertical inicial de la berma de coronamiento del muro de partida. Esto permite lograr un muro de arena cuyo eje se mantiene en el mismo plano vertical, cuyo talud de aguas arriba es más o menos vertical, y cuyo talud aguas abajo puede tener la inclinación que el diseño considera adecuada (Ramirez, 2007).

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Figura 3-8: Método de la Línea Central

Fuente: Manual de Operaciones de Tranques de Relaves

Este método consiste en ir elevando la cota del muro de arena manteniendo la berma de coronamiento en un mismo eje vertical (Márquez, 2002).

En este método, la ladera de aguas arriba del muro, va quedando fundada sobre los estratos de lamas saturadas y sin compactar, las que son licuables en caso de un sismo; por esta razón no se recomienda su construcción en zonas de alta sismicidad (Márquez, 2002).

3.4 Componentes Principales de un Depósito de Relaves

3.4.1 Cubeta

Corresponde al volumen o hueco disponible para la descarga de los residuos mineros y por esta razón es la componente más importante en relación con la vida útil del depósito. En la cubeta se depositan las lamas y gran parte del agua contenida en los relaves, de tal modo que se forma en ella una laguna de aguas claras debido a la sedimentación de las partículas, tal como se muestra en la figura 3-11.

3.4.2 Muro o Prisma Resistente

El muro perimetral, mostrado en la figura 3-11, 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 relación con la estabilidad o grado de seguridad del depósito.

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3.4.3 Muro de Inicio y Muro de Pie

Normalmente, todos los muros de arenas de relave, consideran en su diseño dos muros que limiten la traza de inicio y termino de estos.

El muro de inicio nace de la necesidad de disponer de una poza inicial, antes que empiecen las operaciones de descarga de material. Estos muros varían según el método constructivo a emplear y según la orientación agua muro del sitio y diseño elegido, como el ejemplo de la figura 3-9.

Figura 3-9: Muro de Inicio y Sistema de Drenaje, Tranque de Relaves Ovejería Fuente: Estudio de Diseños y Operaciones de Relaves

El muro de pie en tanto, pretende dar un término adecuado al derrame de arenas durante la construcción. En muchos casos, el muro de pie se emplea para limitar el avance de

la traza de arenas.

3.4.4 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 en este sistema se traduce en una detención de la operación eficiente del depósito. Además, en determinadas ocasiones, este sistema se utiliza también para clasificar y

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seleccionar los residuos, de modo de permitir que parte de estos sean usados como material para la construcción del muro perimetral. Existe una gran variedad de sistemas clasificadores, siendo algunos de ellos:

3.4.4.4 Canaleta

Es un canal de madera donde se produce la clasificación por rebalse, teniendo descargas cada cierta distancia, basándose en la separación gravitacional de las partículas finas respecto a las gruesas al ser transportadas en agua a velocidades apropiadas.

3.4.4.5 Cañería

Corresponden a cañerías de un diámetro conveniente con perforaciones inferiores que sirven de descarga, basados en el mismo principio que las canaletas.

3.4.4.6 Clasificación Natural

Se traslada el relave directamente a él o los puntos de descargas donde se produce la clasificación natural; el material grueso queda en los sitios que es dejado. Los finos transportados por el agua que no se infiltra se van por la pendiente natural de sedimentación hacia la laguna de decantación. En este recorrido, se va produciendo la depositación gradual de las partículas por su propio peso, las lamas permanecen en la laguna hasta su propia sedimentación.

3.4.4.7 Hidrociclones

Estos dispositivos mecánicos han alcanzado excelentes resultados como sistema clasificador garantizando la construcción, del dique resistente, a partir de una buena distribución granulométrica.

En general, los hidrociclones por su geometría, aprovechan la fuerza centrífuga para separar el material. Éste, corresponde a un cuerpo hueco con una parte cilíndrica y otra cónica;

un orificio de alimentación, y dos salidas, el superior overflow y el inferior underflow, permitiendo que las partículas gruesas sean expulsadas por la parte inferior (underflow) y las

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partículas finas por la parte superior (overflow) del ciclón. Un esquema de su funcionamiento se muestra en la figura 3-10.

Figura 3-10: Esquema de Funcionamiento Hidrociclones Fuente: Estudio de Diseños y Operaciones de Relaves 3.4.5 Volumen de Residuos Sólidos Depositados en la Cubeta

Parte importante de volumen disponible en la cubeta de un tranque de relave estará ocupado por las lamas (material fino). Sin embargo, muchas veces estos residuos sólidos tendrán una razón de vacíos suficientemente alta como para tener un peso unitario muy bajo y sin ser altamente comprensibles; lamentablemente esta compresibilidad esta asociada al proceso de consolidación, por lo que la comprensión y asentamiento de esta masa, altamente porosa, requiere de un período de tiempo relativamente largo.

3.4.6 Zona de Descarga de los Residuos o Zona de Playa

La zona que comprende la descarga de los residuos a la cubeta se denomina zona de playa, debido principalmente a que permanece seca en la superficie y se asemeja a una playa de arenas finas.

3.4.7 Poza de Aguas Claras

Corresponde a la laguna de aguas clarificadas, que se detalla en la figura 3-11 que se forma en la cubeta debido a la sedimentación de las partículas sólidas. Esta poza, permite la recuperación de aguas y al mismo tiempo la evacuación de estas desde la cubeta. Esta laguna

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debe mantenerse lo más alejada posible del muro de arenas y su evacuación debe hacerse siempre para no disminuir el grado de estabilidad del muro.

Figura 3-11: Elementos de Tranque de Relaves “Las Tortolas”

Fuente: Elaboración Propia 3.4.8 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, mediante tres tipos (Márquez, 2002):

• Las Torres de Decantación, son estructuras verticales levantadas junto con los depósitos de relaves, que se extienden horizontalmente por debajo del tranque para evacuar agua por efecto de la gravedad.

• Estructuras de Decantación del tipo Ladera, que reemplazan a la torre vertical con un conducto que se extiende hacia arriba a lo largo de la superficie del terreno natural del tranque conforme se incrementa la elevación de los relaves.

• Barca Flotante con bombas o sifones, este sistema es preferido a menudo debido a su facilidad de reubicación y operación.

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3.4.9 Sistema de Drenaje

Es el sistema 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 saturación del sistema (Márquez, 2002).

Existen diferentes estructuras para la construcción de los drenes, que se muestran en la figura 3-12:

• Convencional

• Geotextil

• Solución Mixta

Estos se disponen en forma de dedos drenantes o de tipo lechos drenantes.

Figura 3-12: Sistemas de Drenes

Fuente: Estudio de Diseños y Operaciones de Relaves

Aunque el sistema de drenaje se construye como una obra civil (controles de calidad), es durante la descarga (colocación) de las arenas cuando por deficiencias operacionales se puede producir grandes daños a los drenes por erosión o colmatación.

3.4.10 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 superficies 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, que usualmente están construidos sobre la base de una serie de “estratos impermeables” y

“permeables-drenantes”.

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3.4.11 Canales y Obras de Desvío

Los canales, son zanjas construidas en las laderas para captar y desviar las escorrentías superficiales. En general, los canales y obras de desvío de aguas son a menudo necesarias para evitar que las aguas de la cuenca sean embalsamadas en la cubeta del embalse entorpeciendo la construcción u operación de éste.

En otros casos, se opta por admitir la entrada del cauce natural a la cubeta durante la operación y evacuarlas junto con las aguas de decantación.

Dependiendo de la configuración topográfica de la zona de emplazamiento de la presa las obras de desvío podrán ser túneles excavados en roca o canales abiertos.

3.4.12 Vertederos de Seguridad

Es un canal hecho en la berma de coronamiento del muro, para evacuar las aguas de la cubeta ante una intensa lluvia o por fallas del canal de desvío.

3.4.13 Sistema de Instrumentación

Especialmente en el caso de depósitos de residuos mineros importantes o de gran tamaño, es frecuente contar con un sistema de instrumentación para la auscultación y control del comportamiento del depósito. Este sistema de instrumentación puede controlar una o todas las componentes del depósito. Entre los instrumentos o aparatos de control se destacan piezómetros, acelerógrafos, monolitos de referencia, etc.

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CAPÍTULO IV

PARÁMETROS DE DISEÑO PARA UNA PRESA DE ARENA

4.1 Introducción

Los depósitos de relaves actualmente en Chile, han sido construidos con muros resistentes de arena reciclada. Existen muchos estudios relativos a su comportamiento estructural, como también una vasta experiencia en su construcción.

A pesar de esto, la construcción de un muro de arena es complejo, ya que su construcción es constante durante todo el ciclo operativo de la presa. Por eso debe ser monitoreado de manera permanente, ya que una filtración de proporciones puede provocar la licuación en las arenas del muro y por consiguiente, una potencial falla estructural. Esto puede producir una importante contaminación en el entorno del depósito.

Por otro lado, si bien la construcción de un muro de partida es económico, la posterior construcción y mantención hacen el proyecto que tenga un elevado costo para ser un depósito de desechos, en comparación a un muro construido por etapas.

Por lo anterior, el propósito de esta memoria es encontrar una alternativa óptima que pueda sustituir al muro de arena para el depósito de relaves. Esta alternativa debe ser técnicamente factible y económicamente viable.

En el presente capítulo se estiman los parámetros de diseño para un muro de arena reciclada.

4.2 Parámetros Preliminares de Diseño De Un Muro de Arena Reciclada

Las consideraciones dentro del diseño de un muro de arena reciclada que se consideran se especifican en la tabla 4-1:

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Tabla 4-1: Condiciones Ideales de Diseño Tipo de Construcción Método Aguas Abajo

Tipo de Arena Reciclada de Relave Contenido de Finos (%) 10 a 20

Sistema de Drenaje Bajo el muro de arena, con una carpeta impermeable

Talud H/V = 4/1

Otros .- Laguna de agua clara, distanciada del depósito de lamas.

.- Sistema de monitoreo de filtraciones.

Fuente: ICOLD-CHILE 4.2.2 Ubicación

Es conveniente antes del diseño de una presa de relave, ubicar un lugar óptimo en relación a distancia y altitud de la planta de flotación. La distancia y la altitud son relevantes en el transporte del relave, por gravedad en canaletas de hormigón, y la recirculación de agua para los procesos (para bombeo hacia la planta de flotación) y por seguridad.

4.2.3 Parámetros Geotécnicos

Todos los parámetros geotécnicos, deben estar respaldados por ensayos de laboratorio, de terreno, análisis comparativos con la literatura técnica.

4.2.3.1 Granulometría

Las arenas de relaves cicloneados son partículas de forma angular y de granos tamaños medio, con un tamaño máximo de 2 mm y un contenido promedio de finos limosos no plásticos entre 10% a 30%. Una característica particular de estas arenas es que no contienen cantidades significativas de partículas menores de 0.002 mm (generalmente < 5%) lo cual significa que la cantidad de arcillas en general no es significativa (Montani y Barrera, 2006).

Las características geotécnicas de dos presas de relaves en Chile se muestran como ejemplo en la tabla 4-2 y 4-3 (Peña et al, 2006).

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Tabla 4-2: Parámetros Geotécnicos de arenas presas de relaves en Chile

Región Depósito

Tamaño Máximo Partícula

(mm)

Tamaño Medio Partícula

(mm)

Contenido de Finos

(%)

Gravedad Específica

Valparaíso El Cobre nº 4 1.2 0.25 12-13 2.71

Coquimbo El Chinche 0.6 0.15 14-17 2.69

Valparaíso Ovejería 2 0.2 14-15 2.74

Valparaíso Quillayes 0.6 0.16 16-18 2.69

Fuente: ICOLD-CHILE

Tabla 4-3: Parámetros Geotécnicos de las Arenas Recicladas de Tórtolas y Torito

Parámetros Tórtolas Torito

Densidad Seca t/m3 1.65 1.53

Saturada t/m3 1.98 1.98

Permeabilidad m/s 7 x 10-6 10-6

Cohesión 0 0

Ángulo de Fricción

º 34 32

Modulo de Poison

0.35 0.35

Módulo de elasticidad

t/m2 7.950 5.950

Fuente: ICOLD-CHILE 4.2.3.2 Densidad de Compactación

Para evitar la licuación de arenas del muro resistente, se debe construir muros resistentes con un adecuado grado de compactación y muy bajos niveles de agua al interior del ellos (Montani y Barrera, 2006). El nivel freático se controla mediante adecuadas obras de captación de filtraciones y tener arenas lo suficientemente permeables.

La densidad de compactación, si se tienen niveles de agua muy bajos en el interior del muro de arena, el nivel mínimo de compactación aceptado es de 55% de la DR. La humedad in-situ puede variar entre un 7% a un 13%. Se presenta a continuación la tabla 4-4 con valores promedio de densidades y humedades de compactación en algunos muros de relave en Chile.

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Tabla 4-4: Características de Compactación de Algunas de Presas de Relaves en Chile

Región Depósito Altura

(m) Densidad in-situ

(t/m2) Humedad in-situ (%)

Valparaiso El Cobre nº 4 62 1.58-1.62 10-12

Coquimbo El Chinche 100 1.60-1.62 9-13

Valparaiso Quillayes 120 1.60-1.65 8-11

Fuente: ARCADIS 4.2.3.3 Permeabilidad

La permeabilidad de la arena de un muro resistente es clave en su estabilidad, debido a que no se forma nivel freático al interior del muro y se minimiza el riesgo de licuación de las arenas (Barrera y Campaña, 2005). Si existiera nivel freático importante en el muro al momento de un sismo, se produciría una presión de poros importante, que licuará las arenas, produciendo una falla o el colapso del muro de arena.

La tabla 4-5 muestra los tipos de suelo y el rango de la constante de permeabilidad esperado.

Tabla 4-5: Tipos de Suelo y Constante “k” de permeabilidad Tipo de Suelo “k” (m/s)

Grava 10-3 – 10-1 Arena 10-6 – 10-3 Lama 10-8 – 10-6 Arcilla 10-10 – 10-8 Fuente: Soil Mechanics Handbook

Para lograr una buena permeabilidad, debe limitarse el contenido de finos, preferiblemente a menos de 20%.

4.2.3.4 Resistencia al Corte Estático

En arenas, la resistencia al corte está relacionada con el índice de vacíos inicial y la presión de confinamiento.

Los valores de fricción de esfuerzos efectivos para las arenas de relaves de cobre, varían de 33º a 38º en promedio, con una cohesión nula en la práctica. Los valores de resistencia más altos, corresponden a arenas de mayor densidad (Montani y Barrera, 2005).

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4.2.3.5 Resistencia Cíclica

La resistencia cíclica es función de la relación de vacíos (densidad), presión de confinamiento, porcentaje de finos, de los esfuerzos de corte in-situ y de la naturaleza de la fuerza cíclica (frecuencia y dirección).

Los parámetros de mayor incidencia en la evaluación del comportamiento sísmico de presas de arenas de relaves, son la evaluación de su resistencia cíclica asociada al fenómeno de licuación y la degradación del módulo de corte y de amortiguamiento para diferentes niveles de la deformación al corte, todos los cuales tiene un amplio uso en los análisis dinámicos de presas de relaves.

En general, las arenas de relaves con 15% finos tienen una resistencia cíclica prácticamente 50% más que las arenas con un 25 a 30% de finos y en éste último rango de finos, la resistencia cíclica, prácticamente es la misma. Este hecho es muy importante como un criterio de selección de la cantidad de finos a obtenerse por cicloneo, dado que el costo operacional de obtener arenas con 15% finos es mayor que el de obtener arenas con un 30%

finos (Montani y Barrera, 2005).

4.3 Actividad Sísmica del Área

Nuestro país es uno de los países con mayor actividad sísmica en el Mundo y además, registra los sismos de mayor magnitud registrados a la fecha (Peña et al, 1996). Por tanto, el estudio de la sismicidad del área se torna muy importante.

4.4 Diseño del Talud

El talud se prediseña con métodos de equilibrio límite (MEL). Este método considera una superficie circular de deslizamiento, que se divide en varias dovelas y se comparan las fuerzas solicitantes con las fuerzas resistentes de los materiales de construcción y fundación, tal como se muestra en la figura 4-1 (Barrera y Campaña, 2005).

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Figura 4-1: Dovelas de Talud Homogéneo Fuente: ARCADIS

Se utilizan los algoritmos de Bishop Simplificado, Spencer o Morgenstern-Price. Esta metodología es estimativa, ya que para el diseño es válida para presas con altura no mayor a 40 m.

Para la determinación del coeficiente sísmico, éste debe ajustarse a las características del área. En el caso de Chile, se recomienda utilizar la expresión del Ing. Roberto Saragoni (1993), con un mínimo de kh = 0,15 y kv = 0. La aceleración máxima (amáx) se obtiene mediante un estudio de riesgo sísmico (Barrera y Campaña, 2005).

Los factores de seguridad esperados, se muestran en la tabla 4-6:

Tabla 4-6: Factores de Seguridad Mínimos

F.S.Estático > 1.5

F.S.Sísmico > 1.1

F.S.Postsismo 1

En el drenaje basal, considerar:

F.S.  5

Fuente: ARCADIS

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