Diseño de sistema de coberturas para botaderos mineros

El agua superficial y subterránea circundante a alguna operación minera puede resultar afectada significativamente por infiltraciones contaminadas provenientes del Drenaje Ácido de Roca (DAR) en los botaderos y depósitos de relaves. Una evaluación para la prevención y mitigación sobre los impactos ambientales generados por el DAR es necesaria para minimizar el impacto al medio ambiente.

Los botaderos mineros son depósitos de rocas sin concentraciones de mineral de interés resultante de la explotación minera. Frecuentemente, el material del botadero se encuentra en contacto con el suelo, por lo tanto, cualquier reacción de Drenaje Ácido de Roca que desencadene este material se filtrará al suelo y podría dañar el agua subterránea o manantiales en la zona.

Conscientes de la importancia de la preservación del ecosistema y de los intereses de las compañías mineras, Gidahatari ha desarrollado un diseño de coberturas ambientalmente compatible, innovador y económico. Es decir, hemos adaptado el diseño de la cobertura para que a un menor costo, con los materiales disponibles en la zona, se obtengan las especificaciones técnicas deseadas. A continuación, se desarrolla una descripción de la metodología desarrollada para el diseño de coberturas multicapas en botaderos mineros para efectos de un plan de cierre.

 

 

Marco legal

 

En Perú, las principales disposiciones de protección ambiental aplicables al diseño de coberturas para botaderos mineros se encuentran en la Ley N° 28090, ley que regula el cierre de minas, el cual a su vez cumple con la normativa dispuesta en el Texto Único Ordenado de la Ley General de Minería, aprobado por Decreto Supremo N°014-92-EM, y la Ley N° 28271, ley que regula los pasivos ambientales de la actividad minera.

 

 

Marco conceptual

 

Toda compañía minera posee dentro de sus operaciones botaderos que almacenan rocas o material de desecho de la extracción. Estas rocas contienen por naturaleza sulfuros que al estar en contacto con el aire (oxígeno) tienden a oxidarse y al mezclarse con el agua procedente de precipitaciones genera un drenaje ácido que se vierte al suelo provocando su contaminación.

El drenaje ácido de roca se genera cuando la oxidación del sulfuro y la generación de ácido superan la capacidad de neutralización. Una de las maneras de controlar toda esta producción de drenaje ácido requiere que los minerales con sulfuros no estén en contacto con el oxígeno, sin embargo, esta meta no es completamente alcanzable. Los conceptos básicos para la prevención del drenaje ácido de roca son la reducción del ingreso de oxígeno y la prevención del contacto con agua que pueda actuar como un medio de transporte para productos oxidados.

Figura 1. Esquema de los factores que afectan la oxidación de los sulfuros de las rocas 1

Figura 1. Esquema de los factores que afectan la oxidación de los sulfuros de las rocas 1

Los enfoques principales de mitigación de drenaje ácido de roca es aplicar métodos para:

 

  • Reducir al mínimo el suministro de oxígeno.
  • Reducir al mínimo la infiltración de agua y/o lixiviación.
  • Reducir al mínimo, eliminar o aislar los minerales con sulfuro,
  • Controlar el pH del agua que se infiltra (garantizar la alcalinidad del agua),
  • Maximizar la disponibilidad de minerales ácidos neutralizantes,
  • Controlar el desarrollo de bacterias y los procesos biogeoquímicos.
  • Permitir la revegetación.

 

El diseño de coberturas propuesto por Gidahatari deberán disminuir las filtraciones a los estándares señalados por los organismos reguladores. El sistema de cobertura debe permitir la vegetación en la parte superior, permitiendo que el botadero recobre una apariencia natural en el ecosistema.

El tipo de vegetación, su desempeño respecto de la disponibilidad de agua y su profundidad de raíces serán evaluados en esta investigación. Se debe tener una vegetación que consuma la mayoría de agua de precipitación, con una capa de suelo que permita su total desarrollo pero que sus raíces no dañen las capas inferiores.

Otros factores como estabilidad, erosión, y performance en el tiempo también serán considerados en la evaluación de alternativas. Se priorizará en el uso de materiales de la zona para el sistema de cobertura.

 

Figura 2. Esquema conceptual de la cobertura de un botadero y su hidrogeología 2

Figura 2. Esquema conceptual de la cobertura de un botadero y su hidrogeología 2

Metología

Los pasos principales del plan de trabajo propuesto para el diseño de coberturas se muestra en la figura a continuación:

Figura 3. Pasos de la Evaluación del Diseño de Coberturas.

Figura 3. Pasos de la Evaluación del Diseño de Coberturas.

1. Caracterización del Sitio y de los Materiales

Al principio se realiza trabajo de campo para identificar la situación de los botaderos y el terreno alrededor. El trabajo de campo incluye la evaluación de perfiles de suelo en calicatas y la identificación de los cuerpos de agua alrededor y su estado. 

Figura 4. Hidrogeología de un botadero.

Figura 4. Hidrogeología de un botadero.

Se considera la instalación de piezómetros profundos para la interceptación de la infiltración profunda y piezómetros someros en las zonas de descarga a los cursos de agua superficial.

Se tomarán muestras químicas de los principales cursos de agua, puntos de monitoreo, manantiales naturales y afloramiento de lixiviados.

También está contemplado la recopilación de datos de topografía inicial y actual, detalles de instalación de depósitos de botaderos, datos de sistemas de interceptación, meteorología, pluviometría, registros de caudales y de química del agua.

 

Figura 5. Líneas de Flujo de Filtraciones de Relaves y Ubicación de Piezómetros Someros y Profundos.  

Figura 5. Líneas de Flujo de Filtraciones de Relaves y Ubicación de Piezómetros Someros y Profundos.

 

La exploración de campo también se enfocará en la identificación de materiales de préstamo para las coberturas.

 

 

2. Diseño Conceptual de la Cobertura

 

Con la información hidrológica, hidrogeológica y química se construye el modelo conceptual que evalúa la aplicabilidad, ventajas y limitaciones de los sistemas de cobertura.

Esta etapa incluye un modelo hidrogeológico preliminar que brinde valores referenciales sobre el balance hídrico del botadero, y el régimen de agua subterránea.

El objetivo del sistema de cobertura es prevenir la descarga de drenaje contaminado. En esta fase de la evaluación se evalúan preliminarmente las alternativas de cobertura que satisfagan los criterios ambientales usando las técnicas más efectivas y de menor costo. Esta selección también va de la mano con aspectos de performance en el tiempo, costo de mantenimiento, estabilidad y erosión.

También se evalúan aspectos de disponibilidad de materiales, de manera de dar prioridad a las alternativas que consideren materiales más cercanos al botadero.

 

 

3. Ensayos de Laboratorio

 

El material de préstamo y material del botadero será procesado a través de un proceso de chancado en diferentes granulometrías. Se enfatizará en la distribución que obtenga la menor cantidad de espacios y por consiguiente menor conductividad hidráulica. 

Figura 6. Relación entre el porcentaje de vacíos y la conductividad hidráulica saturada 3

Figura 6. Relación entre el porcentaje de vacíos y la conductividad hidráulica saturada 3

El material procesado será analizado puro y combinaciones para obtener sus valores de conductividad hidráulica a distintos niveles de compactación. Análisis dinámicos de carga serán realizados para evaluar los parámetros hidráulicos dinámicos como rendimiento específico y almacenamiento específico. Estos análisis serán interpretados con un modelo numérico particular en la escala del ensayo.

 

4. Diseño Detallado

Con los valores de los parámetros hidráulicos para diferentes combinaciones de material procesado se construirá un modelo numérico donde se simule la infiltración de precipitación y su paso a través de las distintas capas. Se hace un análisis del flujo de infiltraciones para cada combinación, optimizando a su vez la distribución de espesores en cada capa.

El modelo será calibrado con un ensayo en laboratorio de la distribución del sistema multicapas en condiciones saturadas. Una vez calibrado el modelo, se representará la respuesta hidrogeológica en condiciones promedio a lo largo del año.

Figura 7. Implementación del ensayo de cobertura en condiciones saturadas.  

Figura 7. Implementación del ensayo de cobertura en condiciones saturadas.

 

El modelamiento numérico brindará estimaciones de infiltraciones anuales por capa y un balance hídrico calibrado del botadero y sus alrededores.

 

 

5. Medidas complementarias de cierre

 

Luego de definido el sistema de cobertura y en base a la caracterización hidrogeológica se propondrían las medidas de cierre del botadero en los siguientes aspectos:

● Implementación de Red de Monitoreo de Agua Subterránea.

● Implementación de Red de Monitoreo de Infiltraciones.

● Sistemas de Interceptación de Agua Subterránea.

● Sistemas de Canales Perimetrales.

 

 

6. Evaluación de Revegetación y Desempeño

 

Con la opción de cobertura se construirá una celda in-situ donde se pondrá una capa suelo que albergue la vegetación.

El objetivo de este ensayo en campo es evaluar el sistema de vegetación y la performance del sistema de cobertura. El periodo de esta prueba es largo ya que considera un desarrollo completo de la vegetación y el desarrollo de la infiltración a la zona de descarga. El tipo de vegetación a utilizar será obtenido de la flora local, orientándose a un tipo de vegetación de raíces no profundas, procaz y gran cobertura. Para casos donde la capacidad de campo sea excedida, se tomará medida de los flujos superficiales.

Las celdas de ensayo servirán para la evaluación de la eficiencia en mayor escala del sistema de cobertura multicapa. Los valores de infiltración son evaluados a lo largo de un año, si se registraran diferencias entre los valores calculados y observados, el modelo seria recalibrado y dependiendo de su impacto se tomarían las medidas correctivas.

 

 

Herramientas numéricas

 

MODFLOW 2005 con Flujo en Zona no Saturada (UFZ)

MODFLOW es el código para el modelamiento de agua subterránea en 3D basado en diferencias finitas desarrollado por el Servicio Geológico de Estados Unidos (USGS). MODFLOW simula en flujo estático y transitorio en un sistema acuífero irregular que puede ser confinado, no confinado, o mixto. El flujo de pozos, recarga, evapotranspiración, drenes, lechos de rio también puede ser simulado por MODFLOW.

Las conductividades hidráulicas o transitividades para cada capa pueden variar espacialmente y ser anisotrópicas, también el coeficiente de almacenamiento puede ser heterogéneo. En adición a la simulación del flujo de agua subterránea, el alcance de MODFLOW ha sido expandido a incorporar capacidades de transporte de solutos y manejo de agua subterránea.

El nuevo paquete de MODFLOW-2005 llamado Paquete de Flujo en la Zona No Saturada (UFZ1) fue desarrollado para simular el flujo y almacenamiento en la zona no saturada y la partición de flujo en evapotranspiración y recarga. El paquete también calcula la escorrentía superficial a los ríos y lagos.

Figura 8. Flujo en una dimensión en la zona no saturada acoplada con un modelo de agua subterránea en tres dimensiones 4  

Figura 8. Flujo en una dimensión en la zona no saturada acoplada con un modelo de agua subterránea en tres dimensiones 4

 

Referencias

1. International Network for Acid Prevention (INAP), Global Acid Rock Drainage (GARD), Chapter 2

2. Mine Environment Neutral Drainage Program (MEND), 2004a. Design, construction and performance monitoring of cover systems for waste rock and tailings. Report 2.21.4, O’Kane Consultants Inc., (Eds.), Natural Resources Canada.

3. Mine Environment Neutral Drainage Program (MEND), 1995. Hydrogeology of Waste Dumps. Natural Resources Canada.

4. Niswonger, R.G., Prudic, D.E., and Regan, R.S., 2006, Documentation of the Unsaturated-Zone Flow (UZF1) Package for modeling unsaturated flow between the land surface and the water table with MODFLOW-2005: U.S. Geological Techniques and Methods Book 6, Chapter A19, 62 p.

 

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