Liderazgo Intelectual: Medición de Coherencia – El Nuevo Enfoque para la Detección de Fallas Inminentes de Taludes

Gerente Geotécnico Regional de GroundProbe – Asia, Rachmat Hamid Musa

Ingeniero Geotécnico Sénior de GroundProbe, Rahardian Dwitya

La detección de fallas inminentes es de suma importancia para el monitoreo de la estabilidad de taludes, especialmente en la minería a cielo abierto, donde los riesgos potenciales pueden afectar significativamente la seguridad y la producción. El método actual y aceptado para detectar una falla inminente es monitorear el comportamiento del talud y hacer predicciones basadas en la interpretación de su deformación progresiva. No obstante, existe un nuevo enfoque que utiliza la coherencia producida por el radar terrestre y ayuda a garantizar la detección de fallas inminentes, respalda los métodos de detección existentes y brinda resultados más precisos.

Interferometría de Radar para el Monitoreo de Taludes

La interferometría, un método para extraer información del «fenómeno de interferencia» de las ondas electromagnéticas, fue incorporado hace mucho tiempo al radar terrestre. La metodología del radar combina la medición de deformaciones diminutas mediante interferometría con la naturaleza flexible de su instalación en campo.

La interpretación del comportamiento de deformación en un radar terrestre proporciona información útil para el monitoreo de la estabilidad de taludes. La extensa investigación sobre la pared de roca minera ha identificado que, antes de que ocurra una falla en la masa rocosa, aparecerán pequeños movimientos precursores durante períodos prolongados de tiempo. La observación del comportamiento de deformación que precede al evento de falla podría proporcionar información sobre la detección y predicción de fallas en el futuro.

Valores de Amplitud, Rango y Coherencia

La medición de la coherencia en el radar terrestre está intrínsecamente relacionada con la amplitud y el alcance, ya que la amplitud es la intensidad de una señal devuelta por el objeto observado y el alcance, la distancia entre el radar y el objeto. El valor de coherencia del radar revela la consistencia de la amplitud y el alcance.

La escala de coherencia va de un máximo de uno a un mínimo de cero. Un valor igual a uno significa que la superficie del área monitoreada está intacta y sin perturbaciones. Cualquier perturbación se expresará mediante una disminución del valor de coherencia por debajo de 1.

La coherencia implica la función de correlación cruzada compleja normalizada de las mediciones de amplitud y alcance. Si la comparación entre las características de amplitud y la distancia de la pared u objeto desde el radar en escaneos sucesiva arroja diferencia, el sistema producirá un valor de coherencia bajo. Un cambio en el valor de coherencia indicará si la superficie del talud está sufriendo cambios o no, y puede indicar una falla inminente.

Detección de Fallas Inminentes Mediante el Valor de Coherencia – El Método de Cambio de Coherencia

Para comprender el papel de la coherencia en la detección de fallas, es importante reconocer la naturaleza del cambio de valor de coherencia cuando la pared se acerca a un evento de falla. La detección de fallas simplemente mediante la observación de caídas en el valor de coherencia de cada píxel del radar será ineficaz, ya que una caída significativa en la coherencia no ocurre de forma progresiva. Mientras que los eventos de falla comúnmente coincidirán con una caída del valor de coherencia de, por ejemplo, más de 0,95 hasta menos de 0,2, esta deflación puede ocurrir en promedio después de solo dos o tres escaneos de radar y, en muchos casos, no deja tiempo suficiente para mitigar una falla inminente. En lugar de asignar un determinado parámetro basado en la deflación del valor de coherencia, el método que se transmite se beneficiará de la sensibilidad de la lectura de coherencia realizada por el radar terrestre.

El método de detección de fallas inminentes mediante la utilización de coherencia se explica mejor con la creación de imágenes de coherencia, donde el valor de coherencia de cada píxel es la representación por gradiente de color, que depende de los parámetros establecidos. Por defecto, un valor de coherencia alto se representará con un color más claro, mientras que un valor bajo se representará con un color más oscuro. Con base en este método, se puede detectar visiblemente una falla inminente al observar este fenómeno de cambio de coherencia, conocido como método de cambio de coherencia.

Caso de Estudio 1: Minería de Carbón con roca Blanda

El primer caso de estudio muestra una secuencia de fallas que tienen lugar en una mina de carbón donde la pared del talud es de roca blanda. La deformación progresiva en un grupo de 120 píxeles se veía claramente desde el comienzo del período de escaneo del radar. Este caso muestra una clara gradación de la imagen de coherencia desde muy temprano en los escaneos. El cambio de tono de la imagen de coherencia de claro a oscuro ocurrió de manera bastante aleatoria, presumiblemente porque el mecanismo de falla pertenece al mecanismo de falla por fluencia (Figura 1 y 2).

Figura 1: Imagen de Cambio de Coherencia de un Radar Terrestre

Figura 2: Gráfico del Cambio de Coherencia del Radar del caso de Estudio 1

Para mejorar la capacidad de detectar fallas inminentes utilizando el método de cambio de coherencia, se aplica un sistema de alarma con varias configuraciones. El análisis retrospectivo de alarmas del caso de estudio 1 revela un tiempo razonable de advertencia en los diferentes ajustes del parámetro de coherencia. El análisis retrospectivo reveló que la configuración recomendada de alarma utiliza 0,995 como el umbral de coherencia y en esta configuración más del 25, 50 y 75% del total de píxeles experimentaron deformación progresiva. Los tiempos de advertencia variaron de 0,8, 4,7 y 8,3 horas, y se consideraron suficientes para llevar a cabo medidas de mitigación.

Caso de Estudio 2: Deformación Rápida

El caso de estudio 2 constituye un ejemplo de falla progresiva en la que la tasa de deformación es demasiado rápida para que el radar la pueda rastrear. A pesar de eso, el evento de falla en este caso aún se detecta fácilmente por coherencia y la imagen de coherencia se vuelve progresivamente más oscura con el tiempo. Sin embargo, usar el método de deformación progresiva por sí solo llegará a una conclusión incorrecta acerca de cuándo ocurrirá la falla. A medida que ocurre la ambigüedad, el gráfico de deformación del radar se vuelve menos confiable, pues el ya ha perdido el rastro de la deformación de la pared, lo que podría sugerir que la falla ya ocurrió. Al usar el análisis de coherencia, está claro que el proceso de deformación todavía se está desarrollando, incluso después de la ambigüedad. El gráfico de cambio de coherencia de este caso muestra una progresión visible de coherencia alta a coherencia baja (Figura 3).

Figura 3: Gráfico de Cambio de Coherencia de un Radar Terrestre

El análisis retrospectivo de la alarma muestra que el cambio de coherencia no representó una secuencia de falla completa de principio a fin porque el inicio del escaneo de radar para este caso ya está en medio de la deformación progresiva. El uso del 25% del total de píxeles arroja los mismos resultados en tres parámetros de coherencia. Este resultado también sugiere que la naturaleza del mecanismo de falla pertenece al tipo progresivo, por lo que el cambio de coherencia tiende a tomar más tiempo antes de alcanzar el porcentaje total de deflación de píxeles de coherencia. El resultado del análisis retrospectivo de la alarma sugiere que el mejor umbral de coherencia posible que se aplicará es 0,990, lo que arroja tiempos de advertencia 16, 40 y 63 horas antes de la falla.

Caso de Estudio 3: Falla en Mina con roca dura Típica

El caso de estudio 3 tiene lugar en una mina con un sistema típico de roca dura, que afectará el desarrollo del cambio de coherencia. Las fallas en los sistemas de roca dura, como las que se encuentran en las minas de oro y diamantes, suelen estar precedidas por una deformación progresiva a corto plazo. En este ejemplo, la imagen de coherencia que cambia de claro a oscuro hacia adentro implica una falla por influencia de una estructura geológica. El gráfico de desplazamiento de coherencia ejemplifica una curva de progresión del porcentaje de píxeles que posee un valor de coherencia por debajo del umbral a medida que avanza el tiempo de escaneo del radar (Figura 4).

Figura 4: Gráfico de Cambio de Coherencia de un Radar Terrestre

Este caso es ejemplo de un sistema de roca dura donde el cambio de coherencia tiende a progresar de una manera más rápida que el caso de un sistema de roca blanda. Por lo tanto, para este caso, se introduce una configuración de alarma diferente, con la cantidad de píxeles para que se active la alarma al 15, 25 y 50% del total de píxeles que experimentan un comportamiento de deformación progresiva. El resultado del análisis retrospectivo de la alarma sugiere que el mejor umbral de coherencia posible que se aplicará es 0,999, que producirá tiempos de advertencia de 0,7, 2,5 y 2,7 horas antes de la falla.

En Síntesis: Aplicación, Limitaciones y Conclusión

La combinación del método de cambio de coherencia con un sistema de alarma podría mejorar la detección de fallas inminentes en gran medida. Como muestran los estudios de casos, las advertencias variaron de 0,7 horas a más de 12 horas, lo que brinda tiempo suficiente para implementar una variedad de medidas de mitigación.

Sin embargo, este nuevo método para detectar fallas inminentes se basa inherentemente en otros métodos convencionales, incluida la detección de fallas mediante la observación del comportamiento de deformación progresiva. El factor más crítico es la comprensión de la persona que analiza los datos del radar y que puede reconocer las limitaciones de la coherencia. Pese a ellas, la detección con el método de cambio de coherencia podría proporcionar una enorme ayuda a los programas de estabilidad de taludes de la industria minera que utilizan radares terrestres como herramientas de monitoreo.

Más Información

Este artículo es un resumen del trabajo New approach to detect imminent slope failure by utilising coherence attribute measurement on ground-based slope radar, de R. H. Musa, R. Dwitya y F. A. Cahyo. El documento se presentó en el 2020 International Symposium on Slope Stability in Open Pit Mining and Civil Engineering el 12 de mayo de 2020.