LA IMPORTANCIA DE COMPRENDER Y GESTIONAR LOS JALES EN LA MINERÍA

octubre 29, 2024

Seguridad y Desafíos en la Construcción de Presas

Los jales, materiales sobrantes de la industria minera, se generan en grandes cantidades, representando entre el 70% y el 99% del total del mineral extraído. Estos residuos se almacenan en embalses mediante la construcción de presas de jales, que en muchos casos se levantan utilizando el mismo material residual. Dado que los jales son materiales artificiales, su comportamiento mecánico bajo carga difiere significativamente del de los suelos naturales, lo que representa un reto para la ingeniería geotécnica (Bhanbhro, 2017).

Cada año se reportan fallas en presas de jales, con graves consecuencias para las comunidades y el medio ambiente circundante. Estas fallas resaltan la necesidad de una comprensión profunda de las propiedades de los jales para garantizar la seguridad a largo plazo de estas estructuras. Las presas de jales están diseñadas para operar durante generaciones, lo que hace imperativo un enfoque riguroso en su diseño y construcción.

El comportamiento del material de jales puede cambiar con la elevación de nuevas capas en las presas, lo que afecta su resistencia, presión de poro, tamaño de grano y otros factores clave. Es fundamental realizar análisis de seguridad basados en parámetros bien definidos del material para prever y mitigar riesgos en futuras elevaciones.

Presas de jales, métodos de construcción

Los jales son los materiales de desecho que quedan después de la extracción de materiales valiosos del mineral (Adajar, Zarco 2013). La roca mineral extraída se tritura y muele para extraer y concentrar el material valioso y luego quedan materiales sin valor. El volumen de jales generalmente excede el volumen de materiales valiosos extraídos (Adajar, Zarco 2013).

Según (Jantzer, Bjelkevik y Pousette 2001), el material de jales del mineral puede oscilar entre el 70% y el 99% del mineral extraído. En el caso del mineral de mina de cobre, el material de desecho puede ser hasta el 99% (Northey et al. 2014). El material de desecho de las minas puede ser miles o incluso millones de toneladas de depósitos de jales; por ejemplo, la mina Lokken de Noruega tiene aproximadamente 2 millones de toneladas métricas de depósito de jales (Wolkersdorfer, Bowell 2005).

El material de desecho generalmente se almacena como embalses de jales mediante la construcción de presas de jales en sus alrededores ya sea con madrigueras o con el propio material de jales. Las presas de jales se elevan con el tiempo dependiendo de la tasa de producción de la minería. El tipo de construcción de las presas de jales depende del clima, la topografía, la geología, el proceso de extracción y los métodos de deposición, etc.

Las presas de jales se construyen como tres tipos principales de construcción; i) construcción aguas arriba ii) construcción aguas abajo y iii) método de construcción de línea central ver Figura 1. El método de construcción aguas arriba de las presas de jales (Figura 1a) implica la elevación de diques sobre los embalses de jales consolidados, es decir, el lado de aguas arriba (Vick 1990). En la construcción de presas de jales aguas abajo (Figura 1b), los diques se levantan en la pendiente aguas abajo de la presa existente. Mientras que, en el método de construcción de línea central (Figura 1c), los diques se levantan verticalmente en la cresta de la presa existente y en la pendiente aguas abajo (Vick 1990).

El método de construcción aguas arriba (Figura 1c) tiene ventajas sobre otros métodos de construcción ya que utiliza menos material de madriguera para la construcción y, por lo tanto, es económico en la construcción (Vick 1990). El método de construcción aguas arriba de la presa de jales se ha utilizado con frecuencia (Pousette, 2001) debido a la construcción económica. Sin embargo, las presas de jales aguas arriba pueden tener problemas de estabilidad cuando se construyen en una región sísmica. Varias presas aguas arriba han fallado debido a la licuefacción sísmica en terremotos pasados, consulte, por ejemplo, ICOLD (2001).

Preocupaciones de seguridad de las presas de jales

Hay alrededor de 3500 presas de jales en el mundo (Davies 2002) y anualmente se reportan de 2 a 5 fallas de presas de jales (Davies 2001). La tasa de falla de las presas de jales es de aproximadamente 1/700 a 1/1750, que es mucho más alta que la de las presas de retención de agua, es decir, aproximadamente 1/10000 (Davies 2001). Las fallas de las presas de jales tienen graves impactos en los habitantes y el medio ambiente cercano. Una falla reciente ocurrió en agosto de 2014 en Columbia Británica, Canadá, que causó la liberación de 107 m3 de agua y 4,5 x 106 m3 de lodo en el lago Polley. Otro ejemplo de falla fue en Hungría en 2010 en el estanque de jales de Ajka, que causó la muerte de 120 personas y la liberación de lodo de 0,6 millones de metros cúbicos. En Suecia, se informó sobre una falla en la presa de jales de Aitik en 2010, y, aparte de eso, algunas fallas recientes importantes de presas de jales son: la mina Germano, Brasil 2015 y la falla más reciente en la aldea Dahegou, Henan, China en 2016.

Los jales son materiales granulares artificiales y no como los suelos naturales; sin embargo, los principios de la mecánica de suelos pueden ser aplicables para predecir el comportamiento de los jales al cargarse. Las presas de jales se levantan en etapas cada año dependiendo de la tasa de producción de las actividades mineras. Dependiendo del método de deposición durante los años posteriores, cada capa depositada del embalse de jales puede poseer diferentes propiedades materiales y resistencia. Las presas de jales pueden tener capas sueltas en capas posteriores si las presas de jales aguas arriba se levantan sobre la capa de jales depositados sueltos (Davies, 2002).

Las capas sueltas son relativamente estables en condiciones drenadas y pueden estar sujetas a fallas en condiciones no drenadas cuando el nivel de esfuerzo aplicado es mayor que la resistencia. Las condiciones no drenadas pueden prevalecer en capas sueltas si la elevación de la presa es rápida, lo que puede resultar en un aumento de las presiones de poro y una reducción de los esfuerzos efectivos. La pérdida de resistencia puede provocar licuación. Además, la licuación estática puede ocurrir en materiales granulares muy sueltos con esfuerzos de confinamiento bajas; sin embargo, con esfuerzos de confinamiento más altas pueden comportarse como suelos normales. Según Davies et al. (2002), los jales depositados sueltos pueden tener una resistencia baja y mostrar un comportamiento contractivo ante el esfuerzo cortante. Existen incertidumbres para predecir la resistencia no drenada in situ de los jales, ya que las capas depositadas pueden tener diferentes propiedades de resistencia durante la construcción debido a cambios en las proporciones de vacíos, tamaños de partículas y densidades, etc. (Davies, 2002).

Influencia de las propiedades de los jales

Los jales pueden poseer diferentes propiedades materiales en comparación con los materiales geológicos naturales, por ejemplo; el ángulo de fricción puede ser mayor que el de los suelos naturales (Matyas, Welch y Reades 1984) y las partículas de jales son más angulares que los suelos naturales (Rodríguez y Edeskär 2013) y, por lo tanto, es probable que tengan influencia en las propiedades mecánicas. Blight et al (2000) afirman que los jales que tienen formas angulares pueden resultar en un comportamiento dilatativo que puede conducir a mayores resistencias mientras desarrollan presiones de poro negativas en condiciones no drenadas.

Además, Blight et al. (2000) describen que tener más contenidos finos puede conducir a una baja conductividad hidráulica en comparación con partículas más gruesas, lo que tiene tendencia a mayores presiones de poro y grandes potenciales de licuefacción. Según Vick (1990), los jales pueden tener una conductividad hidráulica baja, lo que puede dar lugar a un nivel más alto en la superficie freática. Estas condiciones freáticas más altas pueden dar lugar a mayores presiones de poro, lo que, a su vez, conduce a problemas de estabilidad (Vick 1990). Aparte de esto, si la tasa de elevación de las presas de jales es alta, también puede conducir a un aumento de las presiones de poro excesivas debido a la baja conductividad hidráulica para una longitud de drenaje constante (Zardari 2013). El aumento de las presiones de poro puede dar lugar a una pérdida de resistencia que puede conducir a la inestabilidad de la pendiente y provocar su falla (Zardari 2013). Algunos de los ejemplos de estas fallas se informan en (ICOLD 2001).

El nivel de esfuerzo efectivo puede describirse como uno de los factores principales para definir los parámetros de resistencia de los jales (Vick 1983). Los altos niveles de esfuerzos en partículas granulares naturales dan como resultado el aplastamiento de partículas (Karimpour y Lade 2010). Los estudios de (Karimpour y Lade 2010) mostraron que los materiales granulares naturales están influenciados por cargas dependientes del tiempo, es decir, materiales bajo la influencia de ciertas condiciones de carga durante un cierto período de tiempo. Es probable que los jales también tengan efectos a largo plazo en las partículas, lo que resulta en aplastamiento (Zardari 2011), degradación, cementación, redondez, etc.

Es probable que las formas de las partículas influyan en la relación de vacíos, el ángulo de fricción y la conductividad hidráulica. Dado que las propiedades de los materiales de jales no se describen en detalle en comparación con los suelos naturales, los materiales de jales deben estudiarse con mayor profundidad y detalle en general y, en particular, con un enfoque en el comportamiento de corte del material de jales.

Conclusión

Dado que las propiedades de los jales no están tan bien documentadas como las de los suelos naturales, es crucial realizar estudios más detallados sobre su comportamiento, especialmente en lo que respecta a la resistencia al corte. Este conocimiento es esencial para mejorar la seguridad y sostenibilidad de las presas de jales a largo plazo.

Referencias

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Blight, G., Troncoso, J., Fourie, A. & Wolski, W. 2000, “Issues in the geotechnics of mining wastes and tailings”, ISRM International SymposiumInternational Society for Rock Mechanics.
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Zardari, M.A. 2013, Numerical analyses of stability of a gradually raised tailings dam. , Luleå tekniska universitet, Luleå. Doctoral thesis / Luleå University of Technology.