1
EXPOMIN 2004SEMINARIO
“INNOVACIÓN TECNOLÓGICA EN EL CONTROL DE OPERACIÓN Y ABANDONO DE TRANQUES DE RELAVE”
EFECTO EOLICO EROSIVO EN TRANQUES DE RELAVE.
Dr. Ing. Juan H. Palma G.
ESTRUCTURA DE LA PRESENTACION
El problema de la erosión eólica en tranques de relave.
Evaluación del problema.
Mitigación de los efectos de la erosión eólica en tranques de relave.
2
En Chile, existe un considerable número de tranques de relave en estado de abandono y en operación. Por otra parte, las actividades mineras futuras, requerirán la construcción de nuevos tranques de relave. Estas instalaciones deben considerar en sus etapas de diseño, operación y abandono evitar, entre otros, los impactos asociados a:
Riesgo sísmico.
Riesgo hidrológico.
Contaminación de suelo.
Contaminación de aguas.
Erosión eólica.
EL PROBLEMA DE LA EROSIÓN EÓLICA EN TRANQUES DE RELAVE
EFECTO EOLICO EROSIVOEN TRANQUES DE RELAVE
La erosión en tranques de relave corresponde a la pérdida de los materiales que la conforman producto de un proceso de desgaste y arrastre de partículas (relave) a causa de un agente erosivo (viento) generando pérdida de masa y cambios morfogenéticos.
∆H
Viento.
EL PROBLEMA DE LA EROSIÓN EÓLICA EN TRANQUES DE RELAVE
3
CONTAMINACION AMBIENTAL
Características “polvaredas”.
Riesgo en salud de las personas por inhalación de material en suspensión.
EL PROBLEMA DE LA EROSIÓN EÓLICA EN TRANQUES DE RELAVE
OPERACIONALES
Deterioro del coronamiento.
Interrupción de faenas.
Disminución de la vida útil, por arrastre de material hacia la cubeta.
EL PROBLEMA DE LA EROSIÓN EÓLICA EN TRANQUES DE RELAVE
4
ESTABILIDAD DEL TALUD
Pérdida de la revancha.Presencia planos de falla, por falta de adherencia del relave con las capas erosionadas.Pérdida de material del muro, por formación de cárcavas.
EL PROBLEMA DE LA EROSIÓN EÓLICA EN TRANQUES DE RELAVE
El Viento es causado por las diferencias de temperaturas existentes al producirse un desigual calentamiento de las diversas zonas de la tierra y de la atmósfera.
Entre las variables que influyen en el comportamiento del vientose encuentra la radiación solar y la estabilidad atmosférica.
EVALUACIÓN DEL PROBLEMA
5
Factores determinantes, que afectan la magnitud de la erosión eólica son :
Aridez del clima
Velocidad y carácter turbulento del viento
Estructura y textura del suelo
Humedad del suelo
Rugosidad del terreno
En la cercanía de la superficie terrestre producto de la fricción, el viento reduce su velocidad a cero, por lo que se genera una capa de apenas unos milímetros o fracciones de milímetros conocida como Capa Estacionaria. La distribución vertical de lavelocidad del viento está influenciado principalmente por la rugosidad de la superficie.
EVALUACIÓN DEL PROBLEMA
Zona de vacíoGrano
Viento
a
b
c
La incorporación de una partícula a una corriente de aire se produce como resultante de tres fuerzas:
Gravedad debido a la masa del grano (a).Empuje o tracción producida por el viento (b).Succión producida por descompresión de la masa de aire en la parte opuesta a la acción del viento (c).
EVALUACIÓN DEL PROBLEMA
6
Secuencia de la erosión eólica
La actividad morfogenética del viento se desarrolla por:
Accionamiento. Se produce por la deflación y abrasión.
Transporte. El viento es un agente erosivo muy eficaz en arenas y polvos, su eficacia se reduce a partículas de pequeño tamaño.
Acumulación. Se produce cuando el viento cesa o desciende en los momentos en que la eficiencia necesaria para el transporte de la carga, disminuye o termina.
EVALUACIÓN DEL PROBLEMA
TRANSPORTE
Rango de velocidades para el transporte de partículas según diámetro.
Partículas Diámetro (mm) Velocidad viento (Km/h)Limo 0,05 - 0,01 0,36 - 0,18Arena Fina 0,1 - 0,5 3,6 - 5,4Arena Media 0,5 - 1 16,5 - 21,6Arena Gruesa 1 36 - 43,2
EVALUACIÓN DEL PROBLEMA
7
VELOCIDAD UMBRAL
Se entiende como velocidad umbral, a la velocidad mínima requerida por el viento para romper el equilibrio entre las partículas e iniciar el movimiento de una de éstas.
EVALUACIÓN DEL PROBLEMA
MODELO DE BAGNOL
Ralph Bagnold, en base a experiencias en laboratorio (túneles de viento) y en terreno (desierto libio) planteó una ecuación empírica para determinar la velocidad umbral de las arenas.
Ecuación de Bagnold modificada por la variable humedad. (Ec. 1)
A = coeficiente empírico que relaciona la rugosidad del material y tipo de fluido ≈ 0.1.
g = aceleración de gravedad 9,8 m/s2
ps = densidad de la partículap = densidad del aire 0,00122 t/m3
d = diámetro de la partícula.W = humedad de la partícula en porcentaje
Vt = (A*[g*d*(ps – p)/p]0,5)*(1,8 + 0,6 * Log10 w)
EVALUACIÓN DEL PROBLEMA
8
Modelo para determinar el perfil de velocidad del viento.
V = es la velocidad del viento a la altura ZVref = es la velocidad medida a la altura ZrefP = es el exponente que depende de la
estabilidad atmosférica
Aplicaciones: • Cálculo de la acción del viento sobre construcciones (Nch 432
of 71).• Proyectos de aprovechamientos de Energía eólica.• Investigaciones de difusión de contaminantes a la atmósfera.
V = V ref * ( Z / Z ref ) p Ec. 2
EVALUACIÓN DEL PROBLEMA
Cálculo del Exponente P
Fórmula propuesta por Justus y Mikjail (Ec. 3)
Valores exponente P
p = 0,37 - 0,088 * ln ( Vref )1- 0,088 * ln ( Zref / 10 )
G
F
D
C
B
A
Categoría de estabilidad
Estable
LevementeEstable
Neutral
LevementeInestable
Inestable
MuyInestable
Descripción
0,300,55
0,300,35
0,250,15
0,200,10
0,150,07
0,150,07
AmbienteUrbano
AmbienteRural
EVALUACIÓN DEL PROBLEMA
9
WWNWNW
Direcciones predominantes Direcciones predominantes del vientodel viento
ESTUDIO EXPERIMENTAL
Tranque de relave Nº 3, Planta M. A. Matta, ENAMI, Copiapó.
Situación en meses de Enero y Febrero del 2003Tranque de relave Nº 3, Planta Manuel Antonio Matta, ENAMI, Copiapó.
CoronamientoCoronamiento
LamasLamas
TaludTalud
ESTUDIO EXPERIMENTAL
10
Termo Anemómetro portátil Modelo 451126
2 operarios
MEDICIONES IN SITU
ESTUDIO EXPERIMENTAL
2 m2 m
Determinar la dirección del viento con una banderilla o manga.
Ubicar el anemómetro en la dirección en que sopla el viento a una altura de 2 m aproximadamente de la superficie del talud.
Medir durante 30 seg a una tasa de muestreo de 3 seg.
Almacenar los datos de velocidad del viento en el datalogger del anemómetro.
PROCEDIMIENTO DE MEDICION
ESTUDIO EXPERIMENTAL
11
DEFICIENCIAS DEL PROCEDIMIENTO EMPLEADO
Sistema de monitoreo semi continuo.Mediciones no automáticas efectuadas por personas, lo que puede inducir un grado de error en las lecturas de velocidades.
PROPOSICION DE SOLUCION
Contar con 3 anemómetros para medir en el mismo instante en Corona, 2/3 y pie de talud.Aplicar un monitoreo continuo y automático las 24 horas del día.
ESTUDIO EXPERIMENTAL
A partir de este análisis se pudo determinar:
Velocidad máxima del viento a pie, 2/3 talud y coronamiento.
Determinación del exponente “p” de la ecuación 3, para la zona en estudio.
Análisis Estadístico
Medidas de Tendencia Central
Medidas de Variabilidad
ANÁLISIS DE LOS RESULTADOS OBTENIDOS
ESTUDIO EXPERIMENTAL
12
Valores de velocidades máximas promedio.
7,739,3411,08Velocidad máxima
promedio (m/s)
29,514Altura (m)
PiePie2/32/3CoronaCorona
ESTUDIO EXPERIMENTAL
Determinación del valor del exponente “p” para la zona de estudio, se utilizó la fórmula propuesta por Justus y Mikjail.
Comparción del valor del exponente “p” obtenido IN SITU con valores planteados por bibliografía:
0.16Norma Chilena 432.Norma Chilena 432.OfOf 7171(Campo abierto y superficie de mar)(Campo abierto y superficie de mar)
0.20Manual de MarksManual de Marks(Velocidades entre 8 (Velocidades entre 8 –– 56 km/hr)56 km/hr)
0.1674Medido Medido IN SITUIN SITU
ESTUDIO EXPERIMENTAL
13
Determinación de perfiles de velocidad del viento. Se aplicó elmodelo planteado por la Norma Chilena Nch 432 of 71 “Cálculo de la acción del viento sobre construcciones”
0
5
10
15
20
25
0 2 4 6 8 10 12 14
velocidad (m/s)
altu
ra (m
)
Perfil 1 Perfil 2 Perfil 3
0
5
10
15
20
25
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12velocidad (m/s)
altu
ra(m
)
Perfiles teóricos Perfil medido
ESTUDIO EXPERIMENTAL
A pesar de lo fluctuante que pueden llegar a ser los resultados de la medición de la Velocidad Umbral de impacto, que corresponde a la velocidad necesaria para mantener el proceso de saltación, se aprecia una buena tendencia de los valores medido en terreno con los valores planteados por los estudio de Bagnold.
5.105.10 m/s5.745.74 m/s
GráficoIn Situ
Fuente. Australian Nacional University Press, Canberra, basado en R.A.Bagnold, 1954.
DETERMINACION DE LA VELOCIDAD UMBRAL DE IMPACTO
ESTUDIO EXPERIMENTAL
14
DETERMINACION DE LA VELOCIDAD UMBRAL DE FLUIDO
Aplicando la ecuación 1, modelo de Bagnol, se determinó la velocidad umbral de fluido que corresponde a la velocidad mínima del viento necesaria para mover la partícula de arena en proceso de saltación, bajo presión directa del viento.
0.44 %W
0.00122(gr/cm3)
p
2.68(gr/cm3)
ps
980 (cm/s2)
g0.1A
ValoresParámetros
0,00
0,20
0,40
0,60
0,80
1,00
1,20
0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25TAMAÑO DE PARTÍCULAS (cm)
VE
LOC
IDA
D U
MB
RA
L (m
/s)
D(90) = 0.038 cm
Vt = 0.45 m/s
ESTUDIO EXPERIMENTAL
DETERMINACIÓN DE LA ALTURA
El perfil seleccionado para determinar la altura a la cual se inicia la erosión en el tranque es :
V = 9,34*(Z/9,5)0,1674
0
12
34
56
78
910
1112
1314
1516
1718
1920
21
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
Velocidad (m /s)
Altu
ra (m
)
Gráfico velocidad v/s altura
ESTUDIO EXPERIMENTAL
15
Si se ingresa con la velocidad umbral a 2 m de altura a la ecuación del perfil definitivo se despeja la altura a la cual se da esa velocidad:
9,10 = 9,34*(Z/9,5)0,1674
Z = 8,05 m
Por lo tanto, la altura sobre el tranque a la que se produce la erosión es:
8,05 m – 2 m = 6,05 m
El resultado obtenido es cercano al valor observado en terreno que indica que la erosión del talud se inicia aproximadamente a 7 metros de altura.
ESTUDIO EXPERIMENTAL
ESTABILIZACIÓN QUÍMICA
Cloruro de Sodio.
Materiales bituminosos.
Polímeros.
MITIGACIÓN DE LOS EFECTOS DE LA EROSIÓN EÓLICA
16
ESTABILIZACIÓN MECÁNICA
Enrocado.
Cubierta de suelo.
Geosintéticos.
Cortinas corta vientos.
MITIGACIÓN DE LOS EFECTOS DE LA EROSIÓN EÓLICA
CUBIERTA DE RELAVE, MÁS SECA, CON MAYOR CONTENIDO DE FINOS Y MENOS
RUGOSA.
17
Viento
Malla Rachell
CORTINAS CORTA VIENTOS
MITIGACIÓN DE LOS EFECTOS DE LA EROSIÓN EÓLICA
ESTABILIZACIÓN VEGETATIVA
Revegetación
Sistema Mulch
MITIGACIÓN DE LOS EFECTOS DE LA EROSIÓN EÓLICA
18
Cortina de viento natural
Viento
VientoRevegetación
MITIGACIÓN DE LOS EFECTOS DE LA EROSIÓN EÓLICA
Revegetación tranque N°2 Planta Matta
MITIGACIÓN DE LOS EFECTOS DE LA EROSIÓN EÓLICA
19
$ 700 /m2
$ 2700 /m2
$ 1850 /m2
$ 400 /m2
$ 450 /m2
$ 200 /m2
Estabilización Vegetativa (sin adición de suelo)
Estabilización Vegetativa (con adición de suelo)
Cubierta de Suelo (incluye costo de suelo)
Cubierta de Suelo (sin costo de suelo)
Estabilización Riego Asfáltico (Matapolvo)
Riego con Cloruro de Sodio
PRECIOS REFERENCIALES DE ESTABILIZADORES DE SUELOS
6
5
4
3
2
1
0.109 UF/m2
0.160 UF/m2
0.041 UF/m2
0.024 UF/m2
0.026 UF/m2
0.012 UF/m2
COSTOS REFERENCIALES DE ALGUNAS DE LAS SOLUCIONES PROPUESTAS
PROCEDIMIENTO BÁSICO DE TRABAJO
Caracterización de la zona de estudio y ubicación del tranque.
Verificación de las características del tranque.
Planteamiento del problema y delimitación de la zona erosionada.
Estudio de vientos.
Análisis de los datos obtenidos en el estudio de vientos.
Determinación del grado de erosión.
Proposición de soluciones.
20