Liderazgo Intelectual: Técnicas de Monitoreo de Vanguardia para los Tranques de Relaves de Samarco

Director de Operaciones de GroundProbe, David Noon

A medida que aumenta la complejidad de los proyectos en minería, la gestión eficaz de los tranques de relave se vuelve fundamental, así como también el creciente enfoque global en el desarrollo seguro y sostenible. La estabilidad geotécnica es un factor clave en muchas fallas de presas de relave. Al monitorearlas e instrumentarlas, podemos desarrollar una mejor comprensión de las causas de estas fallas y, lo que es más importante, de cómo predecir y accionar para proteger la vida humana y minimizar el daño ambiental. A tales fines, se realizó un análisis retrospectivo de las técnicas de monitoreo de vanguardia en la mina Samarco, Brasil.

Fallas en Tranques de Relave

Las fallas en presas de relave puede provocar pérdidas fatales y ocasionar importantes daños tanto al medio ambiente como a la propiedad. Existen aproximadamente de dos a cinco fallas de presas de relaves por año de las 3,500 que existen en todo el mundo. Sin embargo, una gestión adecuada puede ayudar a mitigar los riesgos. En los Estados Unidos, ha ayudado a reducir el número de fallas de 77 entre 1960 y 1990 a solo 15 en los treinta años posteriores.

La mina Samarco se encuentra en el estado de Minas Gerais, Brasil, y está conectada a la presa de relave Fundão, la cual sufrió una falla catastrófica en 2015 que resultó en daños ambientales y económicos, y la pérdida de 19 vidas. Desde entonces, Samarco se ha comprometido con la tarea de recuperar las regiones afectadas por la falla y comparte sus hallazgos para ayudar a mitigar riesgos de falla tanto en Brasil como el resto del mundo para así contribuir a crear un ambiente más seguro.

Como hasta hace poco Brasil era considerado un país libre de sismos, recién ahora están surgiendo análisis dinámicos. Por otro lado, el país no cuenta con leyes o normas que regulen las cargas dinámicas al momento de diseñar una presa.

Características de Tranques y Taludes

Se analizaron tres fallas del complejo con monitoreo de radar en tiempo real en el momento de la falla. Los tres eventos ocurrieron después de la falla del 2015 en tres secciones separadas del complejo minero: la presa Santarém, Dique 2 y un talud natural a 200 m de la represa Fundão. La Figura 1 muestra la ubicación de estas secciones.

Figura 1: Ubicaciones del Sitio de Samarco

La presa Santarém, ubicada 3 km aguas abajo de la presa Fundão, está diseñada como una estructura de concreto para soportar agua y relaves. Si bien no colapsó en 2015, sí sufrió daños estructurales. Para asegurar la integridad futura de la represa, Samarco ha construido un contrafuerte de tierra para reforzar uno de los lados. El monitoreo por radar detectó una falla localizada menor durante la construcción de este contrafuerte.

Dique 2 se ubica 500 m aguas arriba de Dique 1 de la represa Fundão. Fue diseñado para retener la lama de los relaves y, junto con Dique 1, sufrieron fallas en 2015. De los 19 000 000 m3 de material remanente tras la falla, la mayoría era lama de Dique 2. Tras fuertes lluvias en enero de 2016, 1 000 000 m3 de este material se transportó aguas abajo y sobre la presa Santarém. Dadas las reparaciones en curso, el riesgo de falla de los diques adyacentes y las características naturales, así como las continuas fallas del Dique 2, se consideran de riesgo importante. El monitoreo por radar detectó varios eventos menores, uno de los cuales se examinará más a fondo.

También se monitoreó un talud natural ubicado 200 m aguas abajo de la represa Fundão, dado un riesgo de falla por cizalladura evaluado que podía poner en peligro a las personas que trabajaban en el área monitoreada. El monitoreo de radar detectó y proporcionó suficiente advertencia de falla.

Activadores de Alarma y Tiempos de Respuesta

Todos los instrumentos de la mina Samarco tienen activadores para generar respuestas adecuadas según el nivel de movimiento detectado. Los umbrales para el monitoreo por radar, que se resumen en la Tabla I, fueron seleccionados para permitir una mayor advertencia antes de que ocurran los eventos y se basaron en el análisis retrospectivo de una falla menor en la presa Santarém.

Tabla 1: Plan de Respuesta para el nivel de activación. Incluidos los umbrales de movimiento de radar nominado

Al promediar las observaciones a lo largo del tiempo, es importante reconocer que se debe lograr un equilibrio entre lecturas precisas y el «ruido» en los datos suavizando las tendencias. Por esta razón, se evaluaron diferentes períodos de cálculo para establecer la sensibilidad de los umbrales existentes en la mina Samarco y su aplicabilidad para predecir una falla. Estos se representan en los parámetros de «velocidad durante el período de cálculo».

Estudio de Caso 1 – Represa Santarém

El 12 de junio de 2016, se observó una falla local menor en un vertedero (Figura 2). El material se desplazó a lo largo de un plano de deslizamiento que formaba dos tercios del camino hasta el segundo banco. En los meses anteriores, los informes de vigilancia por radar de GroundProbe habían documentado tasas de deformación insignificantes que no estaban asociadas con las operaciones, el tráfico o los períodos de lluvia.

El material de relleno de tierra compactado mostró una deformación regresiva/progresiva antes de la falla (Figura 3), que puede conducir rápidamente al colapso. Esto probablemente fue causado por una cantidad de lluvia inusualmente alta a principios de junio.

Los umbrales de alarma existentes pudieron predecir fallas locales y proporcionaron advertencias exitosas cinco, tres y una hora antes de la falla (Tabla II), un período seguro y factible para cada tipo de respuesta. Umbrales inferiores hubieran activado alarmas durante períodos más largos en los días anteriores y presentado un riesgo de alarmas sin incidentes en condiciones estables.

Figura 2: Monitoreo de Radar de Estabilidad de Taludes para la Presa Santarém, que Muestra la Ubicación de la Falla Local

Figura 3: Tendencia de Datos de Velocidad y Deformación para la Presa de Santarém, se Muestran los Umbrales de Alarma de Velocidad

Tabla 2: Evaluación de la Alarma de Velocidad para la Presa de Santarém

Estudio de Caso 2 – Dique 2

Entre el 8 y el 14 de agosto del 2016, se observó un colapso de escombros en la base del Dique 2. A medida que los escombros viajaban río abajo, se observó una tendencia de falla progresiva hasta el colapso, con aproximadamente el 50% de la deformación del material el sexto día luego del suceso. Dada la falta de lluvia reciente, la causa probable fue la escorrentía río arriba que provocó que las fuerzas hidráulicas degradaran preferentemente una vía a través del material.

Figura 4: Monitoreo de Radar de Estabilidad de Taludes para el Dique 2, que Muestra la Ubicación del Colapso de los Slimes

Los umbrales de velocidad del sitio fueron efectivos en cuanto a la predicción del colapso y proporcionaron advertencia 42, 9 y 1,8 horas antes del suceso (Figura 5 y Tabla V).

A diferencia de la presa Santarém, esta falla se observó durante varios días, lo que significó que los períodos de cálculo más grandes, como la velocidad de 360 y la velocidad de más de 1440, demostraron ser más efectivos para pronosticar fallas.

Figura 5: Tendencia de Datos de Velocidad y Deformación para el Dique 2, se Muestran los Umbrales de Alarma de Velocidad

Tabla 5: Evaluación de la Alarma de Velocidad para el Dique 2

Estudio de Caso 3 – Talud Natural Eixo 1

El 14 de noviembre de 2016, se observó desprendimiento de material en el talud natural en Eixo 1 como resultado de una deformación local, regresiva/progresiva. El tiempo entre la primera observación de la deformación y la rotura del material fue de 7,5 días.

El talud, compuesto de roca suelta, estaba inicialmente intacto, pero se había degradado con el tiempo. Es probable que la falla se debiera a la ruptura de la roca en la base del talud y un aumento en la presión del agua. Se pueden ver pruebas de un suceso similar en la Figura 6.

Figura 6: Monitoreo de Radar de Estabilidad de Taludes para Eixo 1 en Noviembre de 2016, que Muestra la Ubicación de la Falla de Deslizamiento Circulare

Los umbrales de velocidad existentes del sitio no lograron predecir la falla local en Eixo 1. Una alarma amarilla se activó treinta minutos antes de la falla que pudo fácilmente haberse pasado por alto. Se recomiendan métricas alternativas como medidas de control adicionales, por lo que se realizó una evaluación de los activadores de deformación (Figura 7 y Tabla III). Estos son útiles para eliminar el ruido de los datos de deformación pequeña y, por lo tanto, presentan resultados ligeramente distintos a los del análisis de velocidad.

Figura 7: Tendencia de Datos de Deformación para Eixo 1

Tabla 3: Evaluación de la Alarma de Deformación para Eixo 1

Si bien el activador de deformación puede ser adecuado para situaciones como en Eixo 1, también es probable que las alarmas se disparen con mayor frecuencia y requieran ingeniería geotécnica para determinar si un riesgo es plausible. No es rentable tener soluciones en tiempo real las 24 horas en condiciones estables, por lo que se recomiendan observaciones visuales como medida de control principal. El personal operativo capacitado en peligros geotécnicos es sumamente importante para detectar riesgos tempranamente.

Implicaciones y Limitaciones

Los umbrales del sitio existentes para las velocidades de deformación lograron predecir dos de los tres sucesos con un tiempo de advertencia adecuado. La falla del Eixo 1 indica que existen métricas de deformación adicionales que pueden usarse para aumentar la probabilidad de detectar un suceso.

Vale la pena considerar si un valor de activación conservador para cada umbral aplicado en todo el sitio es realmente efectivo para diferentes tipos de taludes. Los ingenieros también deben considerar las condiciones climáticas inesperadas.

La intención de la estrategia de monitoreo de la presa es evaluar y medir las expectativas de diseño en relación con el desempeño de la presa. Se anticipa que la correlación de los parámetros de deformación con otras lecturas de instrumentación sería valiosa en el desarrollo de estrategias de monitoreo.

Aunque el monitoreo sin información previa es un desafío, no es redundante.

Los activadores de alarma amarilla, naranja y roja para las velocidades de deformación de talud monitoreadas por radar lograron proporcionar advertencia para sucesos de mayor duración. Sin embargo, no tuvieron éxito en la predicción de sucesos de corta duración. Se sugieren métodos alternativos, incluida la evaluación de la deformación, para proporcionar medidas de predicción adicionales.

Más Información

El presente artículo es un resumen del documento State of the Art Monitoring Techniques for Samarco Tailing Dams, de L. Clarkson, S. Carneiro, B. de Matos Castilho, D. Williams, M. Ruest, M. Llano y D. Noon. El documento fue presentado en el XIV Congreso Internacional de Energía y Recursos Minerales, celebrado en abril de 2018.