efecto eolico erosivo en tranques de relave. estructura de la

EXPOMIN 2004
SEMINARIO
“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
ƒ El problema de la erosión eólica en
tranques de relave.
ƒ Evaluación del problema.
ƒ Mitigación de los efectos de la erosión
eólica en tranques de relave.
1
EL PROBLEMA DE LA EROSIÓN EÓLICA EN TRANQUES DE RELAVE
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:
ƒ Riesgo sísmico.
ƒ Riesgo hidrológico.
ƒ Contaminación de suelo.
ƒ Contaminación de aguas.
ƒ Erosión eólica.
EL PROBLEMA DE LA EROSIÓN EÓLICA EN TRANQUES DE RELAVE
EFECTO EOLICO EROSIVO
EN 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.
Viento
.
∆H
2
EL PROBLEMA DE LA EROSIÓN EÓLICA EN TRANQUES DE RELAVE
CONTAMINACION AMBIENTAL
ƒ Características “polvaredas”.
ƒ Riesgo en salud de las personas por inhalación de material
en suspensión.
EL PROBLEMA DE LA EROSIÓN EÓLICA EN TRANQUES DE RELAVE
OPERACIONALES
ƒ Deterioro del coronamiento.
ƒ Interrupción de faenas.
ƒ Disminución de la vida útil,
por arrastre de material
hacia la cubeta.
3
EL PROBLEMA DE LA EROSIÓN EÓLICA EN TRANQUES DE RELAVE
ESTABILIDAD DEL TALUD
ƒ Pérdida de la revancha.
ƒ Presencia planos de falla, por falta de adherencia del relave
con las capas erosionadas.
ƒ Pérdida de material del muro, por formación de cárcavas.
EVALUACIÓN DEL PROBLEMA
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 viento
se encuentra la radiación solar y la estabilidad atmosférica.
4
EVALUACIÓN DEL PROBLEMA
Factores determinantes, que afectan la magnitud de la erosión
eólica son :
ƒ
Aridez del clima
ƒ
Velocidad y carácter turbulento del viento
ƒ
Estructura y textura del suelo
ƒ
Humedad del suelo
ƒ
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 la
velocidad del viento está influenciado principalmente por la
rugosidad de la superficie.
EVALUACIÓN DEL PROBLEMA
La incorporación de una partícula a una corriente de aire se
produce como resultante de tres fuerzas:
ƒ Gravedad debido a la masa del grano (a).
ƒ Empuje o tracción producida por el viento (b).
ƒ Succión producida por descompresión de la masa de aire en
la parte opuesta a la acción del viento (c).
c
Viento
Grano
Zona de
vacío
b
a
5
EVALUACIÓN DEL PROBLEMA
La actividad morfogenética del viento se desarrolla por:
ƒ
Accionamiento. Se produce por la deflación y abrasión.
ƒ
Transporte. El viento es un agente erosivo muy eficaz en arenas y
polvos, su eficacia se reduce a partículas de pequeño tamaño.
ƒ
Acumulación. Se produce
cuando el viento cesa o
desciende
momentos
en
en
los
que
la
eficiencia necesaria para
el transporte de la carga,
disminuye o termina.
Secuencia de la erosión eólica
EVALUACIÓN DEL PROBLEMA
TRANSPORTE
Rango de velocidades para el transporte de partículas según
diámetro.
Partículas
Limo
Arena Fina
Arena Media
Arena Gruesa
Diámetro (mm)
0,05 - 0,01
0,1 - 0,5
0,5 - 1
1
Velocidad viento (Km/h)
0,36 - 0,18
3,6 - 5,4
16,5 - 21,6
36 - 43,2
6
EVALUACIÓN DEL PROBLEMA
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)
Vt = (A*[g*d*(ps – p)/p]0,5)*(1,8 + 0,6 * Log10 w)
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 partícula
p = densidad del aire 0,00122 t/m3
d = diámetro de la partícula.
W = humedad de la partícula en porcentaje
7
EVALUACIÓN DEL PROBLEMA
¾ Modelo para determinar el perfil de velocidad del viento.
V = V ref * ( Z / Z ref ) p
V
Ec. 2
= es la velocidad del viento a la altura Z
Vref = es la velocidad medida a la altura Zref
P
= 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.
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 )
Categoría de
estabilidad
Descripción
Ambiente
Rural
Ambiente
Urbano
A
Muy
Inestable
0,07
0,15
B
Inestable
0,07
0,15
C
Levemente
Inestable
0,10
0,20
D
Neutral
0,15
0,25
F
Levemente
Estable
0,35
0,30
G
Estable
0,55
0,30
8
ESTUDIO EXPERIMENTAL
W
Direcciones predominantes
del viento
NW
Tranque de relave Nº 3, Planta M. A. Matta, ENAMI, Copiapó.
ESTUDIO EXPERIMENTAL
Coronamiento
Coronamiento
Lamas
Lamas
Situación en meses de
Enero y Febrero del 2003
Tranque de relave Nº 3,
Planta Manuel Antonio
Matta, ENAMI, Copiapó.
Talud
Talud
9
ESTUDIO EXPERIMENTAL
MEDICIONES IN SITU
ƒ Termo Anemómetro portátil
Modelo 451126
ƒ 2 operarios
ESTUDIO EXPERIMENTAL
PROCEDIMIENTO DE MEDICION
ƒ Determinar la dirección del
viento con una banderilla o
manga.
ƒ Ubicar el anemómetro en
dirección en que sopla
viento a una altura de 2
aproximadamente
de
superficie del talud.
la
el
m
la
2
2m
m
ƒ Medir durante 30 seg a una
tasa de muestreo de 3 seg.
ƒ Almacenar los datos de
velocidad del viento en el
datalogger del anemómetro.
10
ESTUDIO EXPERIMENTAL
DEFICIENCIAS DEL PROCEDIMIENTO EMPLEADO
ƒ Sistema de monitoreo semi continuo.
ƒ Mediciones no automáticas efectuadas por personas, lo que
puede inducir un grado de error en las lecturas de
velocidades.
PROPOSICION DE SOLUCION
ƒ Contar con 3 anemómetros para medir en el mismo instante
en Corona, 2/3 y pie de talud.
ƒ Aplicar un monitoreo continuo y automático las 24 horas del
día.
ESTUDIO EXPERIMENTAL
ANÁLISIS DE LOS RESULTADOS OBTENIDOS
Medidas de Tendencia Central
Análisis Estadístico
Medidas de Variabilidad
A partir de este análisis se pudo determinar:
ƒ Velocidad máxima del viento a pie, 2/3 talud y coronamiento.
ƒ Determinación del exponente “p” de la ecuación 3, para la
zona en estudio.
11
ESTUDIO EXPERIMENTAL
Valores de velocidades máximas promedio.
Corona
2/3
Pie
Altura (m)
14
9,5
2
Velocidad máxima
promedio
(m/s)
11,08
9,34
7,73
ESTUDIO EXPERIMENTAL
ƒ Determinación del valor del exponente “p” para la zona de
estudio, se utilizó la fórmula propuesta por Justus y Mikjail.
ƒ Comparción del valor del exponente “p” obtenido IN SITU
con valores planteados por bibliografía:
Medido IN SITU
0.1674
Norma Chilena 432.Of
432.Of 71
(Campo abierto y superficie de mar)
0.16
Manual de Marks
(Velocidades entre 8 – 56 km/hr)
0.20
12
ESTUDIO EXPERIMENTAL
Determinación de perfiles de velocidad del viento. Se aplicó el
modelo planteado por la Norma Chilena Nch 432 of 71 “Cálculo
de la acción del viento sobre construcciones”
Perfiles teóricos
Perfil medido
25
25
20
20
15
a ltu r a (m )
a lt u r a ( m )
15
10
10
5
5
0
0
2
4
6
8
10
12
velocidad (m/s)
Perfil 1
Perfil 2
14
0
0
1
2
3
Perfil 3
4
5 6 7 8
velocidad (m/s)
9
10 11 12
ESTUDIO EXPERIMENTAL
DETERMINACION DE LA VELOCIDAD UMBRAL
DE IMPACTO
A pesar de lo fluctuante que
pueden
llegar
a
ser
los
resultados de la medición de la
In Situ
Gráfico
5.74 m/s
5.10 m/s
Velocidad Umbral de impacto,
que corresponde a la velocidad
necesaria para mantener el
proceso
de
saltación,
se
aprecia una buena tendencia
de
los
terreno
valores
con
medido
los
en
valores
planteados por los estudio de
Bagnold.
Fuente. Australian Nacional University Press,
Canberra, basado en R.A.Bagnold, 1954.
13
ESTUDIO EXPERIMENTAL
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.
V E L O C ID A D U M B R A L (m / s )
1,20
Parámetros
Valores
A
0.1
g
980
(cm/s2)
ps
2.68
(gr/cm3)
p
0.00122
(gr/cm3)
W
0.44 %
1,00
0,80
0,60
D(90) = 0.038 cm
0,40
Vt = 0.45
0,20
m/s
0,00
0
0,05
0,1
0,15
TAMAÑO DE PARTÍCULAS (cm)
0,2
0,25
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
Gráfico velocidad v/s altura
21
20
19
18
17
16
15
Altura (m )
14
13
12
11
10
9
8
7
6
5
4
3
2
1
0
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
Ve locidad (m /s )
14
ESTUDIO EXPERIMENTAL
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.
MITIGACIÓN DE LOS EFECTOS DE LA EROSIÓN EÓLICA
ESTABILIZACIÓN QUÍMICA
ƒ Cloruro de Sodio.
ƒ Materiales bituminosos.
ƒ Polímeros.
15
MITIGACIÓN DE LOS EFECTOS DE LA EROSIÓN EÓLICA
ESTABILIZACIÓN MECÁNICA
ƒ Enrocado.
ƒ Cubierta de suelo.
ƒ Geosintéticos.
ƒ Cortinas corta vientos.
CUBIERTA DE RELAVE, MÁS SECA, CON
MAYOR CONTENIDO DE FINOS Y MENOS
RUGOSA.
16
MITIGACIÓN DE LOS EFECTOS DE LA EROSIÓN EÓLICA
CORTINAS CORTA VIENTOS
Viento
Malla Rachell
MITIGACIÓN DE LOS EFECTOS DE LA EROSIÓN EÓLICA
ESTABILIZACIÓN VEGETATIVA
ƒ Revegetación
ƒ Sistema Mulch
17
MITIGACIÓN DE LOS EFECTOS DE LA EROSIÓN EÓLICA
Revegetación
Viento
Cortina de viento natural
Vi e
nto
MITIGACIÓN DE LOS EFECTOS DE LA EROSIÓN EÓLICA
Revegetación tranque N°2 Planta Matta
18
COSTOS REFERENCIALES DE ALGUNAS DE
LAS SOLUCIONES PROPUESTAS
PRECIOS REFERENCIALES DE ESTABILIZADORES DE SUELOS
1
Riego con Cloruro de Sodio
$ 200 /m2
0.012 UF/m2
2
Estabilización Riego Asfáltico (Matapolvo)
$ 450 /m2
0.026 UF/m2
/m2
0.024 UF/m2
3
Cubierta de Suelo (sin costo de suelo)
$ 400
4
Cubierta de Suelo (incluye costo de suelo)
$ 1850 /m2
0.109 UF/m2
/m2
0.160 UF/m2
0.041 UF/m2
5
Estabilización Vegetativa (con adición de suelo)
$ 2700
6
Estabilización Vegetativa (sin adición de suelo)
$ 700 /m2
PROCEDIMIENTO BÁSICO DE TRABAJO
ƒ Caracterización de la zona de estudio y ubicación del
tranque.
ƒ Verificación de las características del tranque.
ƒ Planteamiento del problema y delimitación de la zona
erosionada.
ƒ Estudio de vientos.
ƒ Análisis de los datos obtenidos en el estudio de vientos.
ƒ Determinación del grado de erosión.
ƒ Proposición de soluciones.
19
20