Aplicación del principio Doppler a la gestión del monitoreo geotécnico de emergencia
AUTORES
Vitor Almeida Santos, GroundProbe, Belo Horizonte, MG, Brasil
Eduardo César Jardim, Vale, Itabira, MG, Brasil
Albert Paulo Sabará, Vale, Mariana, MG, Brasil
Thomaz Franco de Melo Cotta, GroundProbe, Belo Horizonte, MG, Brasil
Bruno Penido Vecchia, GroundProbe, Belo Horizonte, MG, Brasil
ABSTRACTO
Los escenarios geotécnicos que abarcan reservas, minas a cielo abierto, taludes y presas enfrentan riesgos significativos. La monitorización de estas estructuras con herramientas fiables, incluidas soluciones tecnológicas avanzadas, es esencial para la seguridad y la estabilidad. Las tecnologías de monitoreo reactivo, que sirven como una medida de control crucial, pueden mitigar los impactos cuando se materializan escenarios de riesgo. El objetivo principal de los sensores de gestión de emergencias es detectar condiciones críticas en pendientes monitoreadas, activando sistemas de alarma y flujos de trabajo predefinidos. Estos flujos de trabajo incluyen la activación de mecanismos de alerta para advertir a las comunidades y áreas operativas aguas abajo y, posiblemente, la implementación de restricciones de tráfico local (Vale, 2023).
Para implementar sensores reactivos de manera efectiva, es imperativo establecer un proceso de monitoreo sólido con umbrales de alarma bien definidos que activen los procedimientos de gestión de emergencias. La definición de los umbrales de alarma debe tener en cuenta varios factores, incluidos los parámetros geotécnicos, los mecanismos de fallo, las áreas de impacto potencial y las actividades de mantenimiento o construcción. Además, debe considerar las posibilidades de tránsito en los caminos monitoreados.
En este trabajo se profundiza en el principio Doppler y su aplicación en el monitoreo geotécnico. Describe las mejores prácticas para definir, ajustar, probar y validar un modelo de activación basado en sensores Doppler. Se demuestra la aplicación de la metodología en diferentes estructuras geotécnicas construidas por diversos métodos. Las alarmas aplicadas filtran la dirección del movimiento, los posibles desplazamientos en áreas críticas, el tamaño del objetivo y la velocidad.
La integración de las soluciones de monitoreo geotécnico con los procedimientos de gestión de emergencias ofrece un enfoque proactivo para el manejo de colapsos. La implementación de estas soluciones permite respuestas de emergencia rápidas, minimiza los daños potenciales y mitiga el error humano al activar los protocolos de emergencia de manera efectiva (Stacey y Read, 2009).
INTRODUCCIÓN
Las actividades mineras han sido parte integral de la historia de la humanidad, rastreando las primeras civilizaciones. En Brasil, la minería ha sido crucial para la expansión territorial, impulsada inicialmente por la búsqueda de oro, plata, cobre, diamantes y esmeraldas. A medida que la tecnología avanzaba, los procesos mineros evolucionaron para mejorar la productividad, la seguridad y la optimización de los recursos. Hustrulid y cols. (2001) señalaron que los factores macroeconómicos y de mercado estimularon un cambio en la perspectiva de la industria minera, lo que llevó a inclinaciones de pendiente más pronunciadas para una mayor extracción de material, avances en las tecnologías de maquinaria y optimización de la relación desecho/mineral. Estos cambios introdujeron nuevos desafíos geotécnicos, lo que impulsó el desarrollo de soluciones geotécnicas innovadoras.
Un área de la ingeniería geotécnica que ha experimentado un crecimiento significativo es el monitoreo. Las soluciones convencionales incluyen indicadores de nivel de agua, extensómetros, marcadores de superficie, radares interferométricos, GNSS, inclinómetros, inclinómetros y radares Doppler. La implementación de estas tecnologías ha requerido un control más robusto de los indicadores de rendimiento (KPI) y el desarrollo de flujos de comunicación y asignación de responsabilidades durante el Plan de Respuesta de Acción Desencadenante (TARP), como destaca Morrison (2022).
El panorama actual del monitoreo geotécnico se centra en la gestión de los riesgos geotécnicos, clasificándolos como críticos o no críticos para la seguridad y la gestión de emergencias. Una tecnología ampliamente adoptada para la gestión de emergencias en instalaciones de minería y presas a cielo abierto es el radar reactivo que utiliza el principio Doppler para detectar objetos en movimiento dentro de su área de exploración. Los radares Doppler pueden detectar un colapso de la estructura monitoreada, lo que garantiza el tiempo de respuesta más corto dentro del marco del TARP.
En este trabajo se presentan los proyectos de monitorización desarrollados para instalaciones de presas que incorporan sistemas de alarma basados en el principio Doppler. Detalla las configuraciones de parámetros como la dirección, la velocidad, la intensidad de retorno de la señal, la secuenciación del movimiento y el análisis estadístico mediante histogramas y herramientas de diagrama de caja. El documento también analiza las mejores prácticas para implementar estas tecnologías con el fin de mejorar el monitoreo geotécnico y la gestión de emergencias.
DESAFÍOS
Los escenarios geotécnicos que abarcan reservas, minas a cielo abierto, taludes y presas enfrentan riesgos significativos. Estas estructuras son vulnerables a diversos mecanismos de fallo, y el seguimiento de su estabilidad es crucial. Sin embargo, surgen varios desafíos:
Entornos geotécnicos complejos
La naturaleza diversa y dinámica de los entornos geotécnicos requiere soluciones de monitoreo adaptables y precisas.
Definición de umbral de alarma
Establecer procesos de monitoreo sólidos con umbrales de alarma bien definidos es esencial pero desafiante. Estos umbrales deben tener en cuenta varios parámetros geotécnicos, mecanismos de falla y áreas de impacto potencial.
Respuesta a emergencias
Garantizar una respuesta de emergencia rápida y eficaz requiere integrar soluciones de monitoreo con procedimientos de gestión de emergencias. Esto implica definir, ajustar, probar y validar modelos de activación para sensores reactivos.
Gestión de datos
La gestión y el análisis eficientes de grandes cantidades de datos recopilados de los sistemas de supervisión son cruciales para la toma de decisiones y la acción oportunas.
SOLUCIÓN
La aplicación del principio Doppler en el monitoreo geotécnico para abordar estos desafíos ofrece una solución confiable y avanzada. Este enfoque implica:
El principio Doppler y su aplicación
El efecto Doppler, descrito por primera vez por el físico austriaco Christian Andreas Doppler, implica el cambio aparente en la frecuencia de una onda emitida por una fuente tal como la percibe un observador. Este cambio varía con el movimiento relativo entre la fuente y el observador. En el monitoreo geotécnico, se emiten ondas electromagnéticas pulsadas hacia un objeto de interés. El principio Doppler explica la variación en la frecuencia de la onda tras la reflexión causada por el movimiento del objeto dentro de la línea de visión. Usando este principio, se pueden detectar objetos, evaluar sus niveles de intensidad, medir velocidades y determinar direcciones de movimiento.
La ecuación general para el efecto Doppler se expresa como: f′=f×(Vs±Vo)(Vs±Vt)
Ecuación 1. Ecuación general del efecto Doppler. Una propuesta para la enseñanza cualitativa y cuantitativa del efecto Doppler a través de smartphones. del Instituto Federal de Educación, Ciencia y Tecnología de Ceará – CE. 2021.
Si bien las ecuaciones detalladas para cada escenario de desplazamiento de los objetivos están fuera del alcance de este artículo, pueden ser referenciadas en el estudio realizado por Almeida et al. (2021) en el Instituto Federal de Educación, Ciencia y Tecnología de Ceará – Brasil. La Figura 1 ilustra un esquema simplificado de la aplicación del efecto Doppler en el monitoreo geotécnico, donde el dispositivo Doppler permanece estático y la longitud de onda (λn) reflejada por el objeto de interés exhibe valores variables a medida que el objeto experimenta desplazamiento.
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Figura 1. Diagrama de efecto Doppler simplificado. Una propuesta para la enseñanza cualitativa y cuantitativa del efecto Doppler a través de smartphones. del Instituto Federal de Educación, Ciencia y Tecnología de Ceará – CE. 2021.
El cambio en la frecuencia de la onda se puede utilizar para determinar la posición y la velocidad del objetivo en función del tiempo que la onda viaja a través de la atmósfera. Esto permite la detección de objetos, la evaluación de sus niveles de intensidad, la medición de la velocidad y la determinación de las direcciones de movimiento.
Para la recolección de datos se empleó el Radar Reactivo de Riesgos Geológicos (RGR) Velox, comercializado por GroundProbe. El RGR-Velox es un sistema de radar Doppler diseñado específicamente para el monitoreo geotécnico. En la Tabla 1 se resumen los siguientes datos, recogidos utilizando los principios del Doppler radar:
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Tabla 1. Salida de la detección de objetivos por RGR-Velox. Fuente: GroundProbe.
Metodología para la detección y parametrización de alarmas
Para la recolección de datos se empleó el RGR-Velox, comercializado por GroundProbe. El RGR-Velox es un sistema de radar reactivo 2D diseñado para la gestión de emergencias con el fin de detectar objetivos en movimiento dentro de su línea de visión. Cuenta con capacidades integradas de GPS y búsqueda del norte y un rastreador automático de objetivos para configurar alarmas en función de las características específicas de cada estructura geotécnica bajo vigilancia. Las alarmas en el RGR-Velox se pueden configurar con hasta cuatro disparadores de confirmación: velocidad, intensidad de retorno de la señal, secuencia de movimiento (zona) y dirección de desplazamiento. La definición precisa de estos desencadenantes es esencial para optimizar la eficacia de la herramienta (GroundProbe, 2023).
Integración con los procedimientos de gestión de emergencias
En Brasil, las normativas nacionales exigen la instalación de sistemas automatizados de activación de sirenas y otros mecanismos adecuados para alertar a las poblaciones aguas abajo sobre anomalías en las presas mineras con daño potencial asociado (DPA) medio o alto (Brasil, 2022). La activación de alarmas en el sistema RGR-Velox puede desencadenar la activación automática de sirenas, ya sea de forma exclusiva o en combinación con otras tecnologías. La definición de un modelo de detección de alarmas asociadas a la activación automática de sirenas puede reducir el tiempo de respuesta del centro de monitoreo geotécnico a emergencias, alertar al operador sobre sucesos fuera de su conocimiento inmediato y mejorar los niveles de seguridad y control en el área de riesgo.
RESULTADOS
Se realizaron dos estudios de caso para demostrar la aplicación de la metodología de calibración en la definición de parámetros para la activación de alarmas automáticas utilizando el RGR-Velox.
Estudio de caso 1 – Demostración de detección de drones
Se empleó un dron específico como objetivo dinámico dentro del área de la instalación de almacenamiento de relaves (TSF) para calibrar el posicionamiento de los objetivos detectados por el RGR-Velox. El movimiento del dron simuló un colapso real sobre el TSF y sus taludes, atravesando seis zonas de intrusión. El plan de vuelo implementado duró aproximadamente 50 segundos, con la velocidad del dron indicada en el 94% de las detecciones, oscilando entre 13,5 y 16,5 m/s. Las alarmas configuradas se activan según lo esperado en función de la detección del objetivo en sus respectivas zonas.
Estudio de caso 2 – Calibración de la velocidad y el geoposicionamiento utilizando un vehículo de motor y GPS
Un vehículo motorizado con un dispositivo GPS y un objeto metálico calibró el sistema RGR-Velox. El vehículo fue conducido a lo largo de las bermas de la instalación de almacenamiento de relaves, cubriendo aproximadamente 300 metros a velocidades que oscilaban entre 0 y 20 km/h en dos intentos separados. Para el análisis se compararon los datos de intensidad de retorno de la señal de RGR-Velox durante ambos intentos. El estudio de caso arrojó resultados satisfactorios, con datos consistentes de intensidad de retorno de señal observados durante ambos intentos a lo largo del camino conducido y velocidades detectadas entre 5 y 9 m/s por ambas herramientas de medición.
CONCLUSIÓN
En este trabajo se ha demostrado la aplicación de tecnologías de monitorización reactiva, concretamente el principio Doppler, para la gestión de emergencias en escenarios geotécnicos críticos. El establecimiento de un proceso de monitorización maduro y la definición de umbrales de alarma adecuados son vitales para la eficacia de estas soluciones. Al incorporar información detallada sobre las estructuras monitoreadas, los parámetros geotécnicos, los mecanismos de falla y las áreas potencialmente afectadas e integrarse con los procedimientos de gestión de emergencias, las soluciones de monitoreo geotécnico reactivo se convierten en un enfoque de iniciativa para abordar situaciones de colapso inminentes.
La capacidad de detectar, alertar y activar procedimientos de emergencia basados en la información de los sensores utilizando el principio Doppler permite una respuesta rápida a las emergencias. Esto minimiza el daño potencial y reduce el riesgo de error humano al activar los flujos de emergencia. La integración efectiva de estas tecnologías proporciona una capa adicional de seguridad en áreas críticas, incluida la minería y otras industrias, particularmente en minas a cielo abierto y represas.
A medida que mejoran las prácticas de monitoreo y las estrategias de gestión de riesgos y emergencias asociadas, el medio ambiente está mejor preparado para enfrentar posibles desafíos geotécnicos, protegiendo así vidas, propiedades y comunidades. Este enfoque proactivo garantiza una mayor preparación y seguridad, lo que refuerza la importancia de las tecnologías de monitoreo avanzadas en la gestión de riesgos geotécnicos.
REFERENCIAS
Almeida, S. B. B., Pimentel, P. A., & Neves, W. Q. (2021). Uma proposta para o ensino qualitativo e quantitativo do efeito Doppler usando smartphones. Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Ceará.
Brasil. (2022). Resolução Agência Nacional de Mineração (ANM) Nº 95, de 07 de fevereiro de 2022.
GroundProbe. (2023). Acessado em 23 de outubro de 2023, de https://www.groundprobe.com/
Hustrulid, W. A., McCarter, M. K., & Van Zyl, D. J. A. (2001). Slope stability in surface mining.
Magalhães, G. G. de. (2023). 8 lições na construção do monitoramento geotécnico orientado a dados. Acessado em 23 de outubro de 2023.
Morrison, K. F. (2022). Tailings management handbook: A life-cycle approach.
Peixoto, G. G. (2006). Assinaturas de sinais de radar de alvos simples e de modelos de alvos complexos: Um estudo na banda X em câmara anecóica (Tese de mestrado). Instituto Tecnológico de Aeronáutica, São José dos Campos.
Stacey, P., & Read, J. (2009). Guidelines for open pit slope design. CRC Press.
Tecnologia contrafurtiva. (2017, April 4). Tecnologia contrafurtiva. Acessado em 22 de outubro de 2023, de https://tecnomilitar.com/2017/04/04/tecnologia-contrafurtiva/
Vale. (2023). Plano de ação de emergência para barragens de mineração (PAEBM).
– FIN –