ESTRUCTURAS DE CERRAMIENTOS PARA EL ABANDONO DE LABORES SUBTERRÁNEAS

Carlos Rivera – David Tapia

NURIV S.A.

1. INTRODUCCIÓN Las estructuras de cerramiento en el interior de la mina subterránea son

elementos utilizados durante todo el período operativo de ésta, especialmente

en la clausura de labores explotadas, a fin de que estos sectores alcancen la

seguridad física, química y protección ambiental en el interior de la unidad de

producción y sus alrededores.

Para efectos del cierre, estas estructuras que se proyecten deben estar en

capacidad de mantener la estabilidad física y química a largo plazo, a fin de

proteger la salud humana y el medio ambiente.

En la mayoría de las minas del Perú, uno de los problemas que se presentan

para la explotación es el abatimiento de la napa freática. Los sistemas de

drenaje normalmente son por gravedad, captan y conducen el agua

generalmente por las galerías ubicadas en los niveles inferiores de las minas,

con lo cual se genera el Drenaje Ácido de Roca (DAR) cuando la explotación

se produce en yacimientos con presencia de rocas sulfurosas.

Existen diversos tipos de estructuras de cerramiento sobre o bajo nivel freático

en el interior de la mina, con lo cual se trata de reducir el oxígeno requerido

para la formación del DAR.

El presente trabajo desarrolla las estructuras de cerramiento proyectadas y

construidas para que trabajen bajo nivel freático. Para tal fin se presenta la

estructura proyectada y construida en el Nivel 490 de la unidad de producción

1

Julcani, de la Compañía de Minas Buenaventura S.A.A. Este caso muestra la

aplicación práctica de los métodos usados para su diseño y culmina con el

estudio geológico-geomecánico de los sectores comprometidos.

2. ESTRUCTURAS DE CERRAMIENTO DE MINAS A continuación presentamos un cuadro resumen de las diversas estructuras de

cerramiento que se proyectan bajo nivel freático en el interior de las galerías

con el fin de clausurar zonas explotadas y/o en operación, para fines de cierre

ambiental y por medidas de seguridad. Ver Cuadro 1 al final del documento.

3. TAPONES DE CONCRETO MONOLÍTICO

Dentro de la clasificación presentada se encuentran los tapones de concreto

monolítico, que son estructuras de cerramiento que estarán sometidas a

presiones de 100 Kpa o más. A diferencia de las otras estructuras

mencionadas, estos tapones son diseñados como sellos permanentes y no

requieren mantenimiento durante el desarrollo de su vida útil.

Consecuentemente, estas estructuras, en el proceso de diseño, incorporan

factores de seguridad, teniendo en consideración un adecuado control de

calidad durante el proceso constructivo que se garantice a través de las

especificaciones técnicas propuestas por el diseñador y donde la supervisión

tendrá la responsabilidad de cumplir con dichas especificaciones.

En el Cuadro 1 se presenta una serie de tipos de tapones de concreto

monolítico, los mismos que deben proyectarse de acuerdo con el uso que se

les quiera dar. A continuación se hace una breve descripción de los tipos de

clausura comúnmente utilizados:

Descarga Nula Este tipo de clausura tiene como principio construir un tapón que se ubique al

interior de la galería para confinar el agua con el fin de tratar de recuperar el

2

nivel freático e inundar las áreas sulfuradas evitando que se produzca el DAR.

Este tipo de cerramiento se recomienda usar para labores mineras que no

tengan galerías interconectadas. Ver Plano 1 al final del documento.

Rebose

Aplicable a sectores de labores mineras interconectadas, este tipo de clausura

permite inundar las labores y drenar el agua hacia niveles superiores por medio

de las galerías existentes. Ver Plano 1.

Cierre de Ingreso de Aire Este tipo se adopta en el caso de que no sea posible la construcción de un

tapón que evite la salida del efluente de mina. Estas estructuras de cierre se

proyectan para disminuir el ingreso del aire hacia el interior de la galería, por lo

cual se reduce el proceso de oxidación y la generación del DAR. Ver Plano 1.

Método Mixto Este caso es una combinación de los métodos de rebose y cierre de ingreso de

aire; es aplicable a galerías que presentan interconexión entre ellas y se

aprecian bocaminas de bajo caudal en niveles superiores y/o intermedios y

bocaminas de gran caudal en nivel y/o niveles inferiores. Es posible el

monitoreo de este tipo de cierre tanto en los niveles superiores, colocando

sistemas de drenaje en los sellos, como en las zonas intermedias y superiores,

con lo cual se puede verificar el proceso de oxidación y la recuperación del

nivel freático respectivamente. Este método de cierre es el que se desarrolla en

la unidad de producción Julcani y es materia del presente trabajo. Ver Plano 1.

4. METODOLOGÍA DE DISEÑO PARA EL CÁLCULO DE LONGITUD DEL TAPÓN DE CONCRETO MONOLÍTICO Estos métodos propuestos se basan sobre las experiencias obtenidas en

países como Japón, a través de la Organización Minera Metálica del Japón

(OMMJ), ente de apoyo al gobierno de dicho país; en Canadá y en los Estados

3

Unidos, con las experiencias de Chekan (1985), quien inicia los estudios

referentes a este campo, y por Abel J.F. (1998), Lang B. (1999), quienes

continúan con el desarrollo de estas teorías. A continuación se detallan los dos

métodos de diseño utilizados para la construcción de estas estructuras.

Método Japonés Método que presenta dos alternativas para el cálculo de la longitud. Las

fórmulas son aplicables para tapones del tipo paralelo y del tipo barril, según

las características geométricas del sello por utilizar. Este método considera

para el cálculo sólo condiciones estáticas de diseño.

A continuación se detallan las fórmulas propuestas en la Normas Nacionales de

Japón (OMMJ-1996).

Tapón tipo paralelo:

FslaAPL ..

.�

� Fórmula 1

Donde:

L : Longitud del tapón de clausura (m).

P : Presión hidráulica que recibe el tapón de clausura (T/m2).

A : Superficie de corte frontal de tapón de clausura (m2).

�a: Resistencia de corte permisible del concreto, (55 T/m2) si la resistencia

de la roca basal del lugar de clausura fuera mayor que la resistencia del

concreto.

l : Longitud media de la circunferencia del tapón de clausura (m).

Fs:Factor de seguridad (normalmente fijado en 2 para condiciones

estáticas).

4

Tapón tipo barril:

FsbaPLa

.2�

�

Fórmula 2

Donde:

L: Longitud del tapón de clausura (m).

P: Presión hidráulica que recibe el tapón de clausura (T/m2).

a: Relación de dimensiones de la galería (Adimensional).

44

4

bbba

o

o

�

�

bo: El mayor valor entre el ancho y altura de la galería en el lugar del tapón

de clausura (m).

b: El menor valor entre el ancho y altura de la galería en el lugar del tapón

de clausura (m).

f´c: Resistencia a la compresión permisible del concreto.

�a: Resistencia de corte permisible del concreto, si la resistencia de la roca

basal del lugar de clausura fuera mayor que la resistencia del concreto.

Fs: Factor de seguridad (normalmente fijado en 2 condición estática).

Método Canadiense Método que presenta dos alternativas para el cálculo de la longitud. Las

fórmulas son aplicables para tapones del tipo paralelo y del tipo tronco cónico,

según las características geométricas del sello por utilizar. Lo resaltante del

método es que considera los aspectos estático y dinámico (sísmico) para el

cálculo de la longitud del tapón.

A continuación se detallan las fórmulas propuestas por Chekan G,J. (1985) y

utilizadas por organismos de seguridad minera del Canadá.

5

Tapón tipo paralelo:

awhgHwhL

�

�

)( �

� Fórmula 3

Propuesta por TRC para tapones del tipo paralelo basándose sobre la

bibliografía Chekan (1984).

Fs: Factor de seguridad (fijado en �3 para condiciones estáticas).

Donde: L: Longitud del tapón (m).

�: Densidad del H20 (kg/m2).

H: Altura de la carga de agua (m).

w: Ancho del túnel (m).

h: Altura del túnel (m).

�a: Esfuerzo de corte de la roca o esfuerzo de corte del concreto si éste es

menor (Pa).

g: Aceleración de la gravedad (m/s2).

Tapón tipo tronco–cónico

awhgHwhL

�

�

)(2 �

� Fórmula 4

Donde: L: Longitud del tapón.

p: Densidad del H20 (kg/m3).

H: Altura de la carga de agua (m).

w: Ancho del túnel (m).

h: Altura del túnel (m).

6

�a: Esfuerzo de corte de la roca o esfuerzo de corte del concreto. Tomar el

menor de ambos.

g: Aceleración de la gravedad (m/s2).

Fs: Factor de seguridad (fijado en �3) para condiciones estáticas.

Cálculo de la Vmax de onda: Ésta se calcula en función del máximo sismo

creíble (MSC) obtenido de los estudios de peligro sísmico. Fórmula

propuesta para roca por Seed, Idriss y Arango (1983).

gsegcm

aVmax

max /55�

Fórmula 5

Donde:

V max: velocidad máxima de onda (m/s).

a max: aceleración sísmica máxima del estudio de peligro sísmico.

Cálculo de la presión adicional (Ph) en el tapón producida por un MSC

La fórmula propuesta por Westergaard (1931):

Fórmula N°6 cvdPh �

Donde:

c: velocidad del sonido en el agua (m/s).

v: velocidad máxima de onda (m/s).

d: densidad del agua (kg/m3).

5. CASO JULCANI La unidad de producción Julcani, perteneciente a la Cía. de Minas

Buenaventura S.A.A., se encuentra ubicada en el departamento de

Huancavelica, provincia de Angaraes, a una altitud de 4200 msnm. El tapón de

concreto materia del ejemplo se encuentra ubicado a 432 m de la bocamina de

ingreso de la galería principal en el Nivel 490.

7

La información que sirvió de base para el desarrollo de la ingeniería de detalle

estaba conformada por los estudios realizados por Buenaventura Ingenieros

S.A. (BISA-1996) en lo que respecta a la hidrogeología y por TRC-BISA (2000)

en lo referente a la ingeniería conceptual del tapón.

Ingeniería de Detalle

La ingeniería de detalle fue realizada por la empresa Nurivsa en el año 2000.

La ingeniería se basó inicialmente sobre la aplicación del método canadiense,

complementado con estudios geológicos y geomecánicos. En lo relacionado a

la geología, se han realizado mapeos geológicos tanto en el interior de la

galería como en la superficie, donde se ubicaron estaciones geomecánicas. Se

ha utilizado el programa DIPS Versión 3.0 para la visualización de las

concentraciones de las discontinuidades principales sobre la base de

proyecciones estereográficas que el mencionado programa grafica. Ver Plano 2

al final del documento.

A continuación se resumen los resultados geomecánicos obtenidos en

superficie utilizando las clasificaciones de macizos rocosos propuestos por

Bieniawski (1973) a través del método RMR modificado de 1979 y el índice Q

propuesto por Barton en 1974.

TABLA 1 CLASIFICACIÓN GEOMECÁNICA EN SUPERFICIE

NIVEL Estación

Geomecánica RMR

Básico RMR

Ajustado Clase de

Roca E1 57 53 III E2 54 54 III E3 50 50 III E4 43 43 III E5 43 43 III

N

ivel

490

E6 43 38 III

8

TABLA 2 CLASIFICACIÓN GEOMECÁNICA EN INTERIOR DE GALERÍA

Nivel Litología Tramo

(m) RMR

Básico RMR

AjustadoIndice

Q Clase de

Roca 0- 014 31 31 0.46 IV

014-050 32 32 3.88 IV 050-079 49 49 5.83 III 079-127 39 39 1.85 IV 127-200 46 46 4.16 III 200-240 51 51 3.24 III 240-260 51 39 3.33 IV 260-290 54 54 3.24 III 290-320 52 52 3.33 III 320-350 48 48 6.25 III 350-400 52 52 3.88 III 400-425 55 55 8.75 III

N

ivel

490

Pó

rfid

o R

ioda

cític

o

Tapón 59 59 2.92 III

Cálculo de la Longitud del Tapón La longitud del tapón ha sido calculada por los métodos japonés y canadiense

teniendo en consideración los parámetros físicos, ensayo de corte directo

(ASTM D-5607-94) realizados en el laboratorio de mecánica de rocas de la

Pontificia Universidad Católica del Perú, y diseño de mezclas de concreto

realizado en el laboratorio de ensayo de materiales del Sencico.

A continuación presentamos en las tablas 3 y 4 los parámetros de diseño en lo

referente a la roca de fundación entre otros datos y las características del

concreto utilizado.

9

TABLA 3 PARÁMETROS DE DISEÑO

Esfuerzo cortante de roca 61.17 Ton/m2 Esfuerzo cortante de concreto 88.74 Ton/m2 Sismo máximo probable 0.21g Período de retorno sísmico 500 años Altura de la carga de agua 155 m Dimensiones de la galería Ancho: 2.60 m

Altura: 2.70 m Tipo de tapón Tronco-Cónico Longitud de tapón 5.10 m Clase de roca de fundación III Tipo de roca Pórfido riodacítico

TABLA 4

CARACTERÍSTICAS DEL CONCRETO Cemento Andino Tipo V

Resistencia de diseño F’c= 280kg/cm2

Relación agua/cemento 0.443

Cemento por m3 458 Kg

Agua por m3 203 litros

Hormigón por m3 1685 Kg

Proporción en volumen 1:3.7/18.8 (*)

Cantera Palcas

Ph agua de amasado >7

En las tablas 5, 6 y 7 se presentan los resultados de los cálculos por los

diferentes métodos de evaluación en función de las condiciones estáticas y

dinámicas de diseño.

10

6. CONCLUSIONES ��En lo referente a los factores de seguridad, el método canadiense presenta

valores más conservadores que el método japonés.

��Según la clasificación de los tipos de estructura de cerramientos de mina,

podemos definir que la construcción del tapón 490 es del tipo mixto debido

a que también se han construido otras estructuras como muros de

contención que forman parte del sistema de cierre general.

��Los tapones del tipo paralelo por lo general presentan una longitud de

diseño en proporción 2:1 con respecto a tapones del tipo barril y/o tronco

cónico, según los resultados de los métodos de evaluación propuestos.

��Para la predicción del nivel máximo de inundación (NMI) se han realizado

inspecciones visuales y monitoreos periódicos al interior de las galerías de

las áreas en abandono y en explotación. Así mismo, se revisaron las

labores superficiales y zonas de posibles embalses de agua considerando

los estudios hidrogeológicos realizados.

��Las galerías desde el nivel 490, sector donde se construyó el tapón hasta el

nivel 420, en la actualidad se encuentran inundadas. Es decir, sobre el

tapón construido se ejerce una carga de agua de 70m en promedio de los

155m diseñados.

��El monitoreo de las aguas de inundación a la fecha viene siendo realizado

por el Departamento de Medio Ambiente de Julcani. El valor del pH antes

de la construcción del tapón tenía un valor promedio de 1.5. En la

actualidad se obtienen valores de pH entre 2.5 y 3.

��Los diseños realizados a la fecha se complementarán con los resultados de

los estudios de estabilidad y flujo que se vienen desarrollando.

��Debido a la escasa experiencia en el Perú en el diseño y construcción de

tapones, el presente tema pretende ser un aporte técnico para el desarrollo

de estas estructuras.

11

7. REFERENCIAS ��Lang B. (2000), “Design and construction of tunnel plugs and bulkhead”.

University of British Columbia. Department of Mining and Mineral Process

Enginnering. Vancouver – Canadá.

��Kuboki E. (1996), “Ejemplos de medidas tomadas para evitar la

contaminación en minas abandonadas” Organización Minera Metálica del

Japón (OMMJ). Simposium Contra Medidas Ambientales de Desarrollo

Minero. Lima – Perú.

��TRC Hidro-Geo Ingeniería – BISA (2000), “Plan de Cierre Mina Julcani”,

Cía. de Minas Buenaventura S.A.A. Gerencia de Operaciones Metalúrgicas.

Lima – Perú.

��NURIVSA (2000), “Estudio geológico y geomecánico para el taponeo de

minas subterráneas, Niveles 400, 420, 490, 580 y 1000”. Cía de Minas

Buenaventura S.A.A.- Gerencia de Operaciones Metalúrgicas. Lima- Perú.

��Hoek E. & Diederichs M.S. (1989), DIPS “Program for plotting, analysis and

presentation of structural data using spherical proyection techniques“. Rock

Engineering Group, University of Toronto. Toronto - Canadá.

��ASTM D-5607-94 (1994) “Standart test method for performing laboratory

direct shear strenght test or rock specimens under constant normal stress“.

Annual Book of ASTM Standarts – Vol 04.08 (II) Pp 380 – 389.

12

TABLA 5 EVALUACIÓN DEL CÁLCULO DEL TAPÓN NIVEL 490 - CONDICIONES ESTÁTICAS

Método de Diseño Tipo de Tapón

(Método Constructivo) Fórmula Aplicada

L estática F seguridad L estática Diseño

Método Japonés Tapón tipo paralelo

Fórmula No. 1 3.78m 2 7.56m

Método Japonés Tapón tipo barril

Fórmula No. 2 1.78m 2 3.56m

Método Canadiense Tapón tipo paralelo

Fórmula No. 3 3.36m 3 10.08m

Método Canadiense Tapón tipo tronco-cónico Fórmula No. 4 1.68m 3 5.04m

TABLA 6 EVALUACIÓN DEL CÁLCULO DEL TAPÓN NIVEL 490 – CONDICIONES DINÁMICAS

Método de Diseño Tipo de Tapón (Método Constructivo)

Fórmula Aplicada

L dinámica F seguridad L Dinámica Diseño

Método Canadiense Tapón tipo paralelo

Fórmula No. 3 modificada para

Ph

3.36m 2.0 6.72 m

Método Canadiense Tapón tipo tronco-cónico Fórmula No. 5 y 6 1.68m 2.0 3.36 m

TABLA 7 TAPÓN DISEÑADO NIVEL 490

Método de

Diseño Tipo de Tapón

Método Constructivo

Fórmula Aplicada

L Estática

Fs Estática

L Diseño

L Dinámica

Fs Dinámico

L dinámico diseño

Método Canadiense

Tapón tipo tronco cónico

Fórmulas No. 4,5 y 6

1.68m 3 5.10m 1.80m 2 3.60m

Condición Estática Condición dinámica

13

Tapones de CMonolít

Muro de Con

Estructuras de Cerramiento de

Minas Bajo Nivel Freático

Tipo Descarga Nula

Tipo Rebose

Tipo Cierre de ingreso de Aire

Tipo Mixto

oncretoico

Método Japonés Condiciones Estáticas

Método Canadiense Condiciones Estáticas y

Dinámicas

Levantamiento Topográfico,

Estudio Hidrogeológico

y Estudios

Geológicos y Geomecánicos

tención

Tipo Mixto

Construcción, Supervisión Monitoreo

Tipo Cierre de ingreso de Aire

CUADRO No. 1

14

15

16