Liderazgo Intelectual: Fallas en Minas a Cielo Abierto e Incertidumbre al Predecir Derrumbes

Especialista en Ventas Geotécnicas del Grupo GroundProbe, Albert Cabrejo

Con la introducción del Slope Stability Radar (SSR por sus siglas en inglés) por GroundProbe en 2001, la industria minera adquirió la capacidad de recopilar datos de monitoreo de derrumbes en tiempo real. El método de velocidad inversa (IV), del profesor Fukuzono, se ha utilizado en la industria minera junto con radares de monitoreo de taludes durante casi una década para predecir derrumbes. No obstante, el método de Fukuzono tiene limitaciones en cuanto a la predicción exitosa de derrumbes debido a las características variables de falla en macizos rocosos.

Predecir el Tiempo de Falla de un Talud Usando el Método de Fukuzono

En 1985, Fukuzono introdujo por primera vez su método para predecir derrumbes y describió diferentes formas de IV (Velocidad inversa) en función del tiempo: convexa, lineal y cóncava. Aplicando esto a los sitios mineros, la intersección con el eje horizontal del tiempo determina el momento de derrumbe de una pared y todas las operaciones y actividades deben llevarse a cabo en base a esa fecha y hora (ver Figura 1).

Figura 1: Diferentes Gráficas de IV en Función del Tiempo

Efecto de la Ventana de Tiempo en el Cálculo de Velocidad

La aplicación del método de Fukuzono es simple, sin embargo, podría conducir a resultados de velocidad diferentes dependiendo del ancho de la ventana de tiempo utilizada. En un movimiento de deformación en desaceleración (convexo), cuanto mayor sea la ventana de tiempo, mayor será la velocidad y cuanto más corta sea la ventana de tiempo, menor será la velocidad. Comparativamente, en un movimiento de deformación lineal, la longitud de la ventana de tiempo no introduce ningún cambio en el resultado. En un movimiento de deformación acelerado (cóncavo), cuanto mayor sea la ventana de tiempo, menor será la velocidad y cuanto menor sea la ventana de tiempo, mayor será la velocidad.

Por ejemplo, después del impacto, una cuña inestable podría experimentar una deformación regresiva inicial y después de un cierto nivel de tensión la cuña colapsa sin ninguna restricción frente a ella. Es por eso que estos tipos de fallas que ocurren en un período de tiempo corto, como una hora, tienden a mostrar tendencias lineales. Sin embargo, cuando esta falla ocurre durante un período de tiempo más largo, como de 24 horas, la aceleración aumenta con el tiempo y aparece una tendencia en forma de curvatura (cóncava).

Cuando la aceleración no cambia dentro de diferentes ventanas de tiempo, el comportamiento lineal vuelve a estar presente. Cuando la masa rocosa se deforma y cambia su geometría a medida que se desliza hacia abajo, el extremo inferior del material puede funcionar como un contrafuerte creciente para el resto del material de arriba. En este caso, está presente un comportamiento convexo, por lo que hay una mayor aceleración, que se reduce con el tiempo y da como resultado un efecto de flexión.

Al aplicar el método de Fukuzono a datos de monitoreo reales, se puede concluir que para detectar de manera efectiva las tasas de deformación temprana, se debe usar una ventana de tiempo más larga para el análisis de velocidad. Las ventanas de tiempo más largas permiten la detección temprana de un proceso de deformación en curso. No obstante, las ventanas de tiempo más cortas son más precisas para estimar el tiempo de falla, ya que se ven afectadas por el estado de deformación más reciente del macizo rocoso.

El Desafío de Pronosticar un Derrumbe

Los profesionales de la geotecnia deben monitorear y pronosticar un derrumbe para minimizar el riesgo de lesiones y daños a los empleados, equipos y operaciones. Sin embargo, los diferentes gráficos IV a los que se refiere Fukuzono no siempre son aplicables a la industria minera y solo son aplicables a un conjunto limitado de fallas, donde la aceleración tiende a ser constante y ausente de procesos de ablandamiento de deformaciones y otras tensiones.

En un entorno minero, es probable que las fallas incluyan la rotura de puentes de roca, lo que resulta en un cambio dramático en la condición de los materiales desde una masa de roca sólida a material suelto dislocado. Estas fallas tienen una alta correlación con los procesos de endurecimiento por deformación y ablandamiento por deformación. La recuperación de la cohesión y la fricción en una masa rocosa dislocada no es probable que ocurra en un entorno minero, debido a las tensiones continuas en el entorno que rompen cualquier nuevo proceso de unión.

Otra limitación del método IV es que los derrumbes siempre ocurren antes de que el IV llegue a cero. Por lo tanto, no es seguro usar los gráficos IV y confiar en que el derrumbe ocurrirá cerca de ese momento.

Estadísticas de Derrumbes

Se analizaron un total de 74 derrumbes, 59 en paredes altas y 15 en paredes bajas. Las dos variables – valores mínimos de IV y error de pronóstico de derrumbe – se midieron utilizando diferentes ventanas de tiempo de una hora y 24 horas. El objetivo era comprender los errores en los que podría incurrir un ingeniero geotécnico experimentado al intentar predecir cuándo ocurrirá un derrumbe, utilizando el método de Fukuzono. El error (E) es la diferencia entre el tiempo de derrumbe real (medido por SSR) y el tiempo de derrumbe pronosticado, determinado extrapolando el IV hasta que se cruza con el eje del tiempo. La diferencia en el tiempo es el error, que podría estar en el lado seguro (pronóstico antes del derrumbe) o en el lado inseguro (pronóstico después del derrumbe). El derrumbe se definió en el punto en el que cualquier trama progresiva cambiaba su comportamiento acelerado a estático o desacelerado.

IV Mínimo al Derrumbe, 1 Hora y 24 Horas

Las Figuras 13 y 14 muestran la importancia de utilizar diferentes umbrales de velocidad inversa para evaluar la probabilidad de derrumbe según la ventana de tiempo. Por ejemplo, esta diferencia es resaltada para un valor de IV entre 0,3 y 1,0 tanto para el análisis de velocidad de 1 hora como para el análisis de velocidad de 24 horas; el primero tiene dos derrumbes mientras que el último tiene 12 derrumbes en los histogramas de muros altos.

Error de Pronóstico De derrumbe (E)

Para cada derrumbe, se hizo un pronóstico de falla inminente antes de la falla. Las barras entre -24 horas y -1 hora de error (E) en los histogramas corresponden a los casos en los que el pronóstico de derrumbe cayó entre 24 y 1 hora antes del derrumbe real. Es probable que estos hayan estado en el lado seguro, lo que permitió la remoción de la mayor parte del equipo y de todo el personal.

Las barras entre -1 hora y 0 horas corresponden a los casos en los que la predicción del derrumbe cayó dentro de 0 a 1 hora desde el derrumbe real, que podría ser el tiempo suficiente para retirar parte de la maquinaria y del personal.

Las barras entre 0 horas y 24 horas corresponden a los casos en los que la predicción del derrumbe fue posterior al derrumbe real, lo que puede resultar en un grave riesgo de pérdida de personal y equipos.

Hay muchos pronósticos fallidos en este histograma de barras para todos los escenarios. Los casos de pronóstico tardío corresponden a materiales que experimentaron ablandamiento por deformación y no generaron ningún contrafuerte en el frente para ayudar a mitigar el proceso de aceleración. La suposición de IV = 0 en el momento del derrumbe condujo a un pronóstico de derrumbe tardío. Los datos eran demasiado ruidosos, no se utilizó la configuración correcta del periodo de tiempo o el radar se desplegó demasiado tarde durante el proceso de derrumbe. El radar se utilizó como una herramienta reactiva, en lugar de una preventiva en la mayoría de los casos.

La mayoría de los pronósticos fallidos se realizaron cuando se utilizaron 24 horas como período de cálculo de la velocidad. Esto valida la hipótesis de que las ventanas de tiempo más largas son útiles para la detección temprana de derrumbes; sin embargo, no proporcionan una predicción precisa del tiempo de derrumbe.

Los resultados de la Tabla 2 muestran los errores estimados que deben considerarse al pronosticar una falla. Por ejemplo, el percentil 95 para HW IV1h indica que en el 5% de los casos el derrumbe ocurrirá a las 08:30 horas antes de la hora prevista para colapsar. Asimismo, el percentil 70 para LW IV24h indica que en el 30% de los casos el derrumbe real ocurrirá a las 06:00 horas antes de la hora prevista para colapsar. Estos parámetros estadísticos deben tenerse en cuenta al pronosticar derrumbes y para la definición de alarmas en función de la velocidad de deformación.

Conclusión

El método IV de Fukuzono ha demostrado ser exitoso en muchos casos de inestabilidad de taludes en minas a cielo abierto. Sin embargo, su aplicación requiere una comprensión rigurosa de las variables.

La magnitud de los errores de los 74 casos revisados es preocupante del lado inseguro. La evidencia sugiere que las fallas siempre ocurren antes de la intersección de cualquier gráfica IV (cóncava, lineal y convexa) con el eje del tiempo. Es más probable que el método de Fukuzono pronostique una falla después de que ocurra el derrumbe que antes de que ocurra.

El software de radar para el cálculo de la velocidad y IV necesita flexibilidad para permitir diferentes configuraciones. La recomendación más segura es elegir un rango de velocidad y cálculos de IV usando diferentes periodos de tiempo, maximizando la posibilidad de detección temprana para un pronóstico preciso.

Cuando se usa IV con una ventana de tiempo de 1 hora en paredes altas, las evacuaciones deben declararse aprox. 08:30 horas antes de la hora del pronóstico del derrumbe y 10:30 horas para paredes bajas. Si se usa la IV con una ventana de tiempo de 24 horas, las paredes altas deben despejarse 21:20 horas antes de la hora del pronóstico del derrumbe y las bajas 10:20 horas antes del pronóstico. Este tipo de enfoque tiende a maximizar la seguridad; sin embargo, la productividad podría reducirse si los derrumbes ocurren en los percentiles más bajos.

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Este artículo es un resumen del trabajo Análisis de fallas en minas a cielo abierto y la consideración de la incertidumbre en la predicción de derrumbes de A.G. Cabrejo-Liévano. Lea el artículo completo aquí.