Geotecnia en minería: La importancia del estudio del terreno

Gentileza Geocom

La geotecnia se refiere a la aplicación de principios geológicos y de ingeniería en el comportamiento de suelos, rocas y aguas subterráneas, además del estudio de las propiedades mecánicas, hidráulicas e ingenieriles de los materiales provenientes de la tierra para diseñar cimentaciones para estructuras como edificios, puentes, estabilización de taludes, entre otras.

Algunas etapas para estos estudios incluyen la exploración, análisis de muestras, caracterización, diseño del proyecto y monitoreo geotécnico mediante instrumentos, el que puede llevarse a cabo durante las etapas de construcción, operación y cierre.

Algunas tecnologías relacionadas a la instrumentación geotécnica corresponden a implementación de sistemas de comunicación inalámbrica para la transferencia de lecturas obtenidas, uso de fibra óptica, sensores MEMS, escáner láser, entre otras, implementados con comunicación inalámbrica para la transferencia de lecturas obtenidas o bien mediante fibra óptica.

Alfredo Saavedra L.
Periodista Construcción Minera & Energía

Los proyectos constructivos de todo ámbito se fundan sobre el suelo o roca, razón por la cual su estudio y análisis resulta fundamental. “No existe obra física en la superficie de la tierra o al interior de la misma en que las estructuras que se construyan o los equipos que se instalen no apliquen algún tipo de solicitación o carga sobre el suelo o roca en el que se apoyen y a la vez no originen algún tipo de interacción entre los componentes del terreno y ellos”, señala Luis Valenzuela, ingeniero consultor. La aplicación de principios geológicos y de ingeniería en el comportamiento de suelos, rocas y aguas subterráneas, se denomina geotecnia, la que además se encarga del estudio de las propiedades mecánicas, hidráulicas e ingenieriles de los materiales provenientes de la tierra para diseñar cimentaciones para estructuras tales como edificios, puentes, estabilizar taludes, construir túneles y carreteras, centrales hidroeléctricas, entre otros.

En minería, estos estudios resultan de vital importancia considerando no solo la construcción de proyectos, sino que también por la explotación de mineral. Y es que la geotecnia toma en cuenta las fuerzas naturales e inducidas como resultado del desarrollo de excavaciones subterráneas o a rajo abierto, solucionando el problema de potenciales inestabilidades en las labores. “En los proyectos mineros la geotecnia y su ingeniería son fundamentales para analizar fundaciones de edificios y equipos, definir métodos de excavación y soportes de túneles, cavernas, piques y de los rajos mineros. También cumplen un rol importante en el diseño de las presas en depósitos de relaves y en especial de las presas construidas con arenas de relaves”, cuenta Valenzuela, agregando que últimamente la geotecnia ha llegado a cumplir un papel importante en el análisis y solución de problemas ambientales a través del estudio de flujos subterráneos de fluidos (agua u otros).

Esta disciplina, además, se asocia a dos aspectos relevantes: la seguridad de los trabajadores y la sustentabilidad de los procesos productivos. En el caso del primero posibilita tomar las acciones necesarias para que una mina tenga la estabilidad suficiente, con lo cual las personas pueden trabajar sin sufrir lesiones o accidentes fatales producto de un derrumbe.

Desde el punto de vista de los procesos productivos, en tanto, la estabilidad lograda del macizo rocoso permite desarrollar, en forma continua, todas las actividades asociadas a la extracción de minerales desde la mina, con los consiguientes beneficios esperados (continuidad operacional).

Dependiendo del tipo de proyecto que se quiera realizar, los pasos para llevar a cabo la primera fase de un estudio geotécnico son similares y lo que cambia son las escalas, cantidad y especificidad de ensayos requeridos, los que están relacionados con los riesgos que se quieran cubrir.

En primer lugar se comienza por el análisis de los antecedentes existentes (fotografías satelitales y aéreas, geología y geomorfología disponible, estudios de proyectos cercanos, reconocimiento del sitio por especialistas en la geología y geotecnia, etcétera), para luego dar paso a la prospección. “Por lo general la inspección visual y la toma de muestras se realiza a través de sondajes y/o calicatas. Su elección dependerá de factores como el aspecto económico y el tipo de material, entre otros, ya que, por ejemplo, en suelos arenosos saturados o suelos muy cementados, la calicata presentará problemas para realizarse, mientras que las sondajes tienen más facilidad para traspasar ese tipo de elementos”, explica Lenart González, ingeniero geotécnico senior del IDIEM de la Universidad de Chile. El profesional señala que tanto las calicatas como los sondajes tienen por objetivo extraer muestras para obtener una estratigrafía del suelo; de esta forma, el ingeniero geotécnico define cuáles muestras se deben ensayar en el laboratorio y así obtener parámetros geotécnicos relevantes para el proyecto. También se pueden realizar ensayos in situ cuando sea necesario, tanto en profundidad como en superficie.

“Una vez que se realiza el reconocimiento visual, la revisión de todos los antecedentes, las exploraciones y todos los ensayos que se estimen necesarios, se termina con una caracterización del terreno de fundación de la obra, identificando la distribución areal y en profundidad de los distintos estratos de suelo, roca, zonas de contacto, fallas geológicas, suelos complejos que requieran remoción, definir niveles freáticos, etcétera”, detalla José Campaña, Consultor Geotécnico de Arcadis.

Monitoreo geotécnico

Tras las fases anteriores, se puede realizar el monitoreo que sirve para chequear y controlar el diseño realizado para el proyecto, entregar alertas de un potencial derrumbe, minimizar daños a estructuras cercanas, revelar incertidumbres y mejorar el estado de la ingeniería, entre otros. Es decir, realizar un seguimiento a la obra y corregir elementos que puedan haber faltado. “Este paso consiste en la medición y control de diversas variables, analizando su evolución en el tiempo. Por ejemplo, para una presa de relave, las de mayor relevancia comprenden caudales procedentes del sistema de drenaje, deformaciones del muro, presiones intersticiales, estado tensional. A su vez, es de especial importancia el monitoreo sísmico, de manera de conocer la intensidad y la respuesta de la estructura ante estos fenómenos y verificar que los supuestos adoptados en la etapa de diseño se cumplen”, detalla Fernando Morales, especialista en instrumentación de Arcadis.

El monitoreo puede realizarse durante las etapas de construcción, operación y cierre. “Se pueden hacer análisis retroactivos para confirmar que los parámetros son los que se utilizaron y de esta forma optimizar el diseño. Por tanto el monitoreo puede y debe ser usado como un beneficio técnico y económico para el proyecto”, comenta Lenart González. Y es que en minería es de gran importancia para evaluar y resguardar la seguridad global de las estructuras, a lo largo de su vida útil y posterior al cierre, entregando información valiosa sobre su comportamiento desde el inicio de su construcción, permitiendo con ello validar y de ser necesario, ajustar aspectos en su diseño.

Para realizar el monitoreo hay varios tipos de instrumentación, ya sea para instalarse dentro de la estructura y/o a nivel superficial. “Hay sensores de deformación, tales como, extensómetros, estaciones totales, receptores GPS/GNSS, escáner laser, radares terrestres y satelitales, además de sensores que monitorean efectos de vibraciones, tronadoras y eventos sísmicos, esto, a través de la instrumentación con acelerómetros, geófonos y sismómetros. Junto con la instalación de estos sensores, en zonas donde se presume deformación o donde ya la instrumentación instalada sugiera densificarla, se instalan sistemas meteorológicos, piezómetros y pozometros, TDR e inclinómetros, además de cámaras de vigilancia para la inspección visual, entre otros sistemas ya sean permanentes o portátiles, dice Eleazar Quiñimil, ingeniero en geomensura de Geocom.

Para seleccionar el sensor a usar en determinado proyecto, es importante definir cuál es el parámetro a medir, además de otras variables como el lugar, los costos, la precisión y si va a ser posible su uso durante la operación. De acuerdo a Valenzuela, la tecnología actual permite la instalación de arreglos de fibra óptica distribuida a lo largo de los drenes en el caso de presas, tuberías y otro tipo de estructuras, de manera de detectar variaciones de temperatura que puedan indicar la presencia o ausencia de agua en algún momento. “Los arreglos de fibra óptica distribuida ya son utilizados con distintos propósitos en el monitoreo de estructuras pudiendo detectar también, variaciones en las deformaciones, a lo largo de la fibra óptica”, señala el ingeniero.

Tanto en Chile como en otros países, se está empezando a utilizar monitoreo de desplazamientos superficiales con equipos con tecnología de radar (InSar) los cuales alcanzarían una precisión de 1 mm y distanciómetros láser con una precisión de 10 milímetros. Esta tecnología de radar ha sido aplicada en Chile, por ejemplo, en la presa del depósito de relaves de Laguna Seca en mina Escondida y en el monitoreo de rajos.

“Respecto al sistema de adquisición de datos de los instrumentos eléctricos, si bien la metodología de transferencia de las lecturas medidas por estos instrumentos se materializa a través de cables, que se extienden desde cada sensor hasta la unidad lectora, se está migrando a un sistema que proporcione las lecturas mediante comunicación inalámbrica (vía remota) e incluso se han presentado situaciones donde se alternan estas tecnologías y se implementan en conjunto”, agrega Campaña.

Actualmente, la industria proporciona una amplia gama de instrumentos para cada variable, cuya elección está condicionada por el tipo de estructura. Por ejemplo, en presas de relaves, es común la instalación de piezómetros que permiten determinar la posición del nivel freático y la presión de poros en el cuerpo de la presa. “Actualmente, la mayor parte de las presas utilizan piezómetros eléctricos de cuerda vibrante y en forma creciente, piezómetros en base a fibra óptica, combinados con piezómetros abiertos (tipo Casagrande)”, explica Morales, agregando que este arreglo busca aprovechar las ventajas del control automatizado de los primeros, con la simpleza y alta confiabilidad de las mediciones de los segundos, asegurando redundancia de los datos obtenidos.

El especialista también menciona que los piezómetros eléctricos de cuerda vibrante y fibra óptica con tecnología Fabry – Perot, son los más utilizados en las presas de arenas de relave. “El instrumento instalado en la presa registra la deformación de un diafragma que responde a la presión de agua sobre el punto, generando una señal que se conduce mediante cables a un dispositivo de lectura que permite su correlación a presión de poros”, detalla.

En cuanto a deformaciones, los ingenieros de Arcadis indican que se dividen comúnmente en dos tipos: internas y superficiales. Los instrumentos usados para medir movimientos internos incluyen, extensómetros, asentímetros e inclinómetros, mientras que para la medición de deformaciones superficiales, generalmente se utilizan monolitos de control topográfico, medidores de grietas y extensómetros ubicados principalmente en el coronamiento. Por otro lado, son de uso reciente en presas de relaves los extensómetros en base a fibra óptica. “Estos sensores al ser instalados vertical u horizontalmente, permiten medir de manera continua las deformaciones generadas en un sector del muro mediante una señal de onda que viaja a través de la fibra óptica para ser, finalmente, registrada en una unidad de lectura. Debido a su corto alcance en longitud, este instrumento  resulta especialmente útil después de un evento sísmico de importancia”, detalla Morales, agregando que de manera similar, también están disponibles en el mercado los sensores SAA (Shape-Acceleration Array) para la medición en profundidad de los desplazamientos horizontales en muros de presas.

En general, la instalación de instrumentos está condicionada por el tipo de estructura, variable a monitorear e instrumento a colocar. De acuerdo a Campaña, durante el proceso de instalación, es necesario considerar las medidas de prevención para el cuidado de estos y sus elementos asociados, asegurando con ello, el monitoreo continuo del comportamiento de las estructuras. “En el montaje de los instrumentos, se deben considerar elementos de protección, como señaléticas de advertencia, protección externa de cables, restricciones de tránsito, cercos de protección, balizas, etcétera”, puntualiza el especialista.

Geotecnia en Minería - Revista Construcción Minera N°21

Otras tecnologías

De acuerdo a los expertos entrevistados, algunas de las tecnologías relacionadas a la instrumentación geotécnica en la minería, corresponden a la implementación de sistemas de comunicación inalámbrica para la transferencia de lecturas obtenidas por la instrumentación, lo que permite evitar y disminuir los daños producidos en los instrumentos eléctricos y en su cableado. Además y como se mencionó anteriormente, se emplea fibra óptica distribuida en la estructura para la medición de cambios de temperatura y detección temprana de las variaciones en el nivel freático, registrar desplazamientos en el cuerpo de las presas y en su coronamiento, así como también se emplean sensores SAA. Por su parte, el monitoreo de deformaciones superficiales, se puede realizar mediante vuelos de drones, levantamientos aerofotogramétricos, satélite (GPS, radar), entre otros.

Por ejemplo, en la construcción de túneles en roca el mapeo geológico y geotécnico del frente de construcción que se realiza a medida que se avanza, permite identificar los tipos de roca y apoyar la definición del refuerzo de la roca para los avances siguientes, además de anticipar condiciones de eventual riesgo para los operadores, entre otros datos. Esta tarea puede representar algún tipo de riesgo a quienes la realizan, especialmente en minería subterránea, además de que conlleva tiempo procesar y transmitir esa información. Por tal motivo y desde hace algunos años, este mapeo se está llevando a cabo en algunas minas mediante el uso de escáner láser (sistemas LIDAR, ADAM), el que se utiliza una vez efectuado el disparo y abatido el polvo. A través de rayos láser, el escáner o dron registra o “fotografía” todo el frente del avance, información que es trasmitida electrónicamente a un centro de proceso donde los geólogos “mapean” las estructuras geológicas directamente en pantalla y con programas anexos hacen los diagramas polares y estadísticas de diferentes estructuras, además permite que quede registrada la geometría exacta de la excavación la que posteriormente puede ser usada para comparar con la geometría adoptada tiempo después.

En el caso del LIDAR es una estación que genera un escaneo láser obteniendo en forma rápida una superficie en 3D del entorno con alta precisión. “En poco tiempo puede cubrir grandes superficies, con detalles sub milimétricos, donde queda registrado con mucho detalle la superficie del proyecto. También se ha utilizado en proyectos de peritaje para capturar la situación exacta de obras que han tenido algún problema, y donde el tiempo para esta captura es escaso”, explica González.

En cuanto a las metodologías utilizadas en el sector, desde Geocom, señalan que uno de los focos del desarrollo tecnológico de esta área es el de construir una plataforma multi-paramétrica que permita la integración y combinación de los datos provenientes de todos los sensores que constituyen la instrumentación de faena. “En nuestro caso, a través de una plataforma (Trimble 4D Control) integramos sensores geodésicos, geofísicos geotécnicos y meteorológicos para así asegurar una fácil operación, completa visualización, precisa generación de análisis y reportes y correcta distribución de alertas al usuario final”, comenta Quiñimil.

Los expertos consultados comentan que quizás la novedad está en el mayor uso de tecnología y modelos numéricos para predecir comportamientos de estructuras, mencionando la realización de modelos computacionales en 2D y 3D para el análisis de estabilidad de tranques de relaves o rajos, mediante la metodología de elementos finitos y/o diferencias finitas, tanto para condiciones estáticas o sísmicas. Además, se da un uso intensivo de herramientas tecnológicas para la captura de información geotécnica desde sondajes o mapeos de frente, conformación de base de datos que se alimenta continuamente y modelos geotécnicos que se actualizan en base a la nueva información; todo realizado en forma electrónica.

El uso de drones, en tanto, es algo utilizado con mayor frecuencia para captura de fotos de alta resolución en zonas de difícil acceso o con alta exposición a peligros no controlados, para levantamientos topográficos de detalle o para monitoreo visual de estructuras. “Una vez realizado el vuelo, rápidamente puede ser compartida, analizada y servir de apoyo en la toma de decisiones”, detalla Valenzuela. Relacionado con lo anterior, el ingeniero Campaña, indica que también se da el uso de imágenes satelitales para detectar movimientos de taludes que abarcan grandes áreas; tecnología que es útil, por ejemplo para hacer seguimiento de grandes remociones en masas de lento desplazamiento, ya que se pueden conseguir fotos satelitales de varios años de antigüedad.

“En la mecánica de rocas (o geomecánica) la modelación del discontinuo, es decir, la inclusión de fracturas y contactos, es de gran importancia. La aplicación de la técnica de escáner láser unida a análisis probabilístico de las estructuras está dando origen a modelos del macizo rocoso denominados DFN”, explica Valenzuela.

Otro avance se está dando en el campo de la sismicidad inducida por la minería y en especial en la minería subterránea profunda. “El control de la sismicidad se hace a través de múltiples sensores que registran los sismos (que pueden ocurrir en gran número en un solo día) permiten analizar su distribución y magnitud proveyendo información valiosísima para definir zonas de peligro, requerimientos de refuerzos adecuados, cambio en secuencia de explotación, etcétera”, agrega el ingeniero.

Ejemplos en casos de obras en minería

En el caso de presas de arenas de relaves, su diseño está orientado a que el nivel freático no impacte significativamente el cuerpo de la presa, disponiendo para esto de un robusto sistema de drenaje basal, para facilitar el rápido drenaje del agua de construcción y de infiltración desde el depósito, eliminando así en la mayoría de los casos, el riesgo de licuación de arenas saturadas. “Por tal motivo, la medición del caudal de agua recolectado por el sistema de drenaje es un factor importante a ser monitoreado, ya que es indicativo de la eficiencia del sistema de drenaje, permitiendo a su vez, en función de los caudales y las características del agua captada, determinar la posibilidad de erosión interna en el cuerpo de la presa”, explica Morales, agregando que la instalación de piezómetros en la base de la presa, son una parte fundamental de la instrumentación a través de los cuales es posible conocer la posición del nivel freático y la presión de poros.

Otro aspecto a monitorear tiene relación con las deformaciones producidas en la presa de relaves. “Altos valores de asentamientos en el muro pueden ser indicativos de erosión interna, o bien precursor de alguna inestabilidad mayor, la cual debe ser evaluada rápidamente a fin de tomar las medidas correctivas necesarias”, comenta Campaña.

Los especialistas indican que para presas de relaves ubicadas en regiones sísmicamente activas, es importante contar con mediciones de la respuesta de la presa ante terremotos. “Las velocidades y aceleraciones de los mismos permitirán verificar la estabilidad de la presa para esas condiciones, pero principalmente permitirán analizar las deformaciones observadas así como el eventual aumento instantáneo de las presiones de poros”, agrega el ingeniero.

En el caso de presas de gran altura también puede ser importante la medición de la presión total al interior de la presa, ya que puede ser utilizada para obtener: la presión efectiva, la presión del relave sobre estructuras dentro de la presa y las tensiones sobre el sistema de drenaje para descartar riesgos de pérdida de capacidad de los drenes por efecto de rotura de las partículas que lo componen.

Otro caso es la detección de fugas en piscinas. “Cuando existen pequeños defectos en la geomembrana que la recubre, se pueden provocar serios daños al medio ambiente, producto de las fugas de contaminantes al terreno subyacente. Por ello es importante verificar la integridad completa de la geomembrana (incluyendo las soldaduras), reconociendo de manera oportuna los defectos en ella y localizando los daños de forma precisa, para que su reparación pueda llevarse a cabo de manera económica y eficaz”, explica Morales.  En estos casos, desde Arcadis comentan que se utilizan, sistemas de detección de fugas que incorporan tecnologías geoeléctricas, que permiten verificar la estanqueidad del sistema, informando al instante en el momento que se produce la falla e indicando el lugar exacto donde se encuentra, facilitando la planificación para su reparación y optimizando costos asociados a dicho proceso.

Así, la tecnología avanza para ayudar al desarrollo de la geotecnia en el sector, el que también está enfrentando desafíos relacionados con una mayor búsqueda de competitividad. “Se están llevando a cabo nuevos proyectos que involucran, por ejemplo, relaves espesados que se depositan con una pendiente a diferencia de los relaves convencionales que se depositan en tranques con una pendiente cercana a la horizontal, así como también los botaderos que están alcanzando alturas de varios cientos de metros de alto, por lo que el material de la base está teniendo que soportar esfuerzos muy altos y por tanto es importante saber las propiedades de resistencia a esos esfuerzos”, comenta González.

Las ventajas y potencialidades de la geotecnia y sus diversos elementos de estudio, son oportunidades para un sector donde el suelo resulta fundamental.

Triaxial de gran tamaño

Un equipo utilizado en minería para determinar propiedades de resistencia y deformación de material granular grueso es el denominado triaxial. El IDIEM de la Universidad de Chile cuenta con uno de gran tamaño (llamado triaxial gigante) cuya probeta de suelo en su tamaño máximo tiene una altura de 2 m y un diámetro de 1 m, por lo que permite ensayar gravas de gran tamaño y a presiones de confinamiento de hasta 30 kg/cm², con una carga vertical de hasta 2,000 toneladas. De acuerdo a IDIEM, este es uno de los pocos equipos que hay en el mundo con estas características y dimensiones, por lo que frecuentemente se están ensayando materiales traídos desde el extranjero, los que se preparan en un molde a la densidad deseada. En algunos casos la probeta se talla en terreno y se lleva al laboratorio, donde se coloca después en la cámara, se lleva a la presión y se ensaya. También se pueden ensayar probetas de tamaño intermedio, de 120 cm de alto y 60 cm de diámetro.

Ejemplos de soluciones para monitoreo

El mercado de la instrumentación para monitoreo ofrece una amplia gama de productos de acuerdo a las distintas necesidades y requerimientos que pueda tener un proyecto. A modo de ejemplo, la empresa Appareil Leica Hexagon Geosystems cuenta con un sensor (Estación Total de la línea Nova, TM50 o MS60) que permite realizar mediciones de ángulos y distancias a prismas que se encuentran distribuidos por todo el rajo de la compañía minera, información que se muestra como datos de coordenadas en un software de monitoreo geotécnico (Leica GeoMoS), instalado en un concentrador de datos llamado GeoBox con la protección necesaria para funcionar 24/7 en condiciones de trabajo en terreno, en ambiente minero. “En caso que algún prisma supere el límite de movimiento establecido como normal por parte del área de geotecnia, el software es capaz de generar alertas que se envía al profesional de manera oportuna, permitiendo tomar decisiones a tiempo”, agrega Felipe Cáceres, ingeniero geomensor de Appareil Ltda. Tanto el sensor como el concentrador de datos se encuentran dentro de una caseta que protege al sistema. La empresa también proporciona la energía y comunicación de esta información a oficina, mediante sistemas de radios repetidoras y carros inteligentes, con paneles solares y/o turbinas eólicas.

Por su parte, Geocom promueve el uso de la tecnología escáner laser en tareas como: control de la excavación con respecto al diseño de un túnel, control de volumen de sobre y sub-excavación, control de espesor de shotcrete aplicado y volumen del mismo, para así, detectar zonas poco fortificadas e inseguras y zonas con exceso de material que pueden provocar caída de carga muerta e interferencias, además de permitir el completo mapeo de las estructuras geotécnicas presentes.  El escáner láser utiliza la red topográfica presente en el túnel para determinar con precisión las distintas instalaciones realizadas en el avance de la obra subterránea. “Por cada instalación de 2 minutos el equipo es capaz de levantar un millón de puntos por segundo, los cuales, al ser combinados generan una nube de puntos densa, precisa y representativa, la cual, sirve de base para la generación de superficies, perfiles, reportes, entre otros productos”, señalan desde la empresa.

Post Author: Fabiola Garcia Sanders