Controlando riesgos relacionados con caídas de roca en aminas a cielo abierto Por Neal Harries, David Noon and Hilary Pritchett, GroundProbe
Dave Bates, P.G., Thompson Creek Mining Company

El manejo de los riesgos asociados con inestabilidad de taludes es esencial en operaciones seguras y económicas de minas a cielo abierto. Más de 80 Radares para Monitoreo de Taludes (SSR, por sus siglas en Ingles) han sido instalados en grandes minas alrededor del mundo para el manejo de estos riesgos. La tecnología SSR es hoy considerada la mejor práctica de la industria minera mundial para el manejo de taludes inestables y con producción crítica. El SSR utiliza radar para escanear a distancia la pared del talud, continuamente monitoreando movimientos del talud. La tecnología detecta y alerta a los usuarios sobre movimientos del talud con una precisión sub-milimétrica. Las ondas del radar penetran a través de lluvia, polvo y humo, suministrando datos reales y en tiempo real las 24 horas del día. Los sistemas SSR han detectado y registrado alertas sobre movimientos en más de 200 caídas de roca y fracasos, que van desde pequeñas cuñas de falla con algunas toneladas hasta fracasos de más de treinta millones de toneladas, lo que cual le ha permitido a muchas operaciones obtener ganancias en productividad, planeación y seguridad.

Los movimientos del suelo son normales en operaciones en minas a cielo abierto, causados principalmente por la excavación. Los movimientos pueden ser aceptables siempre y cuando no sean inesperados y no terminen siendo catastróficos. Sin embargo, en las paredes de la mina y en las grandes minas a cielo abierto que se han venido desarrollando, las consecuencias de una falla pueden ser catastróficas. Estos riesgos se pueden reducir desde la etapa de planificación mediante la reducción de los ángulos del talud, pero esto conlleva un costo muy elevado. Además, inestabilidades que se desarrollan durante la extracción pueden conducir a reservas de mineral que están en cuarentena, lo que representa un alto costo para la operación minera. A pesar de esas medidas de seguridad, fallas inesperadas han ocurrido en el pasado. Estos problemas fueron la motivación para el desarrollo y producción del Radar para Monitoreo de Taludes (SSR). Actualmente hay más de 80 sistemas SSR de GroundProbe en minas metalíferas y de carbón en 17 países.

Las inesperadas caídas de roca en minas es una de las principales causas de muerte y lesiones graves y también de pérdidas económicas y de producción. Un fracaso inesperado puede enterrar la maquinaria. Esto también puede interrumpir el plan de la mina. Es común suspender operaciones mineras por varios días o semanas después de una falla, debido a la incertidumbre sobre la estabilidad. Las pérdidas económicas directas en la reparación de la mina pueden fácilmente exceder $1.000.000 por incidente. Los costos sobre lesiones o mortalidad son mucho más altos ya que implican el cierre de la mina durante el proceso de investigación sobre el incidente. Una falla masiva de un talud puede resultar en costos directos e indirectos de millones de dólares. En este documento se presentan casos de estudio recientes sobre la operación del SSR en minas a cielo abierto en América del Norte.

Riesgos en Estabilidad de Taludes y Monitoreo de Taludes en Minas a Cielo Abierto

La minería sobre superficie crea a menudo límites en la excavación la cual es más empinada que las creadas bajo procesos naturales en el mismo tipo de roca. La minería sobre superficie asume cambios rápidos de estrés durante la minería y es influenciada por significantes fuerzas externas, tales como vibraciones de explosiones y cambios en las aguas subterráneas. En estas condiciones es probable que se permita cierto grado de inestabilidad para desarrollar los taludes de una mina. Los riesgos asociados con esta inestabilidad de taludes pueden ser extremadamente variables en carácter; desde pequeñas rocas cayendo de los bancos de la mina hasta una falla en toda la pared de la mina. Por lo general es el personal geotécnico o geológico los que tienen derecho de evaluar estos riesgos para las operaciones mineras.

La evaluación de los riesgos sobre inestabilidad de taludes se puede desarrollar por observación visual de signos precursores tales como una fractura. Un indicador más fiable sobre inestabilidad implica la medición cuantitativa de movimientos externos y aceleración de material como un desarrollo de mecanismos de inestabilidad. Existen evidencias de que los pequeños movimientos precursores de un talud se producen durante un largo periodo antes de que el talud colapse (Hoek and Bray, 1981). El desarrollo de un sistema de monitoreo, adoptando criterios aceptables sobre deformación de taludes junto con un sistema de alarma y diseño de estabilización se ha convertido en un método estándar para enfrentarse con inestabilidad de taludes.

Marco para el Manejo de Riesgos sobre Taludes Utilizando el SSR

Un marco para el manejo de los riesgos sobre taludes se muestra en la Figura 1 (discutido en detalle en Harries and Roberts, 2007). Aunque este marco es para usar específicamente con el Radar para Monitoreo de Taludes, un marco similar se podría desarrollar para tecnologías para monitoreo de deformación de taludes. Es importante considerar la naturaleza secuencial del marco para el manejo de riesgos desde la selección del contexto → identificar los riesgos → analizar los riesgos → evaluar los riesgo → tratar los riesgos.

Una vez que el contexto del sistema se halla desarrollado (por ejemplo—para monitorear la escala de un colapso rápido de un banco), la identificación de riesgos es la siguiente etapa en el manejo de riesgos. La identificación de riesgos sobre taludes puede ser relativamente fácil debido a la naturaleza visual de la información que el sistema SSR produce. Las zonas de excesiva deformación se resaltan con colores sobre mapas del talud en imágenes fotográficas alineadas para revisar el sitio de interés.

El personal responsable debe analizar estos datos, por lo general revisan el estilo y el tipo de deformación, así como el tamaño de la zona que parece estar fallando. Esta información puede ser entonces evaluada en relación con los protocolos de organización (por ejemplo, puede que sea solo una pequeña falla en el sub-banco que sería efectuada por bancos existentes y por lo tanto puede ser categorizado como un riesgo menor). Una vez que estos riesgos sean evaluados se pueden evaluar si es necesario. Dos opciones principales están disponibles para reducir el riesgo durante la opción de tratamiento. Nosotros podemos reducir la probabilidad de falla—por ejemplo, contrarrestando el fracaso o de-presurizando la presión del agua en el talud. Sin embargo, el mejor plan de acción es reducir las consecuencias de una falla.

Para reducir las consecuencias de un fracaso es importante asegurarse de que ni personal ni maquinaria estén presentes en la ubicación del fracaso cuando el colapso ocurra. Este ha sido el principal beneficio del sistema SSR a las diferentes operaciones mineras en todo el mundo.

Perfil del Radar para Monitoreo de Taludes

Capacidades y especificaciones del sistema de Radar para Monitoreo de Taludes:
• Deformación de alta precisión +/-0.1mm (Desviación estándar).
• Disco perforado y otras características las cuales permiten la operación en operaciones con fuertes vientos.
• El rango de medición es 1700 metros.
• Escanea 270 grados horizontalmente y 120 grados verticalmente.
• Entre 1-30 minutos es la tasa de repetición para áreas de escaneo (varía según la zona que se está escaneando).
• La exposición RF (<0.05mW/cm2) es un factor de 200 por debajo del límite aceptable para la población en general (1 mW/cm2).
• Tolerante a la vibración y a maquinaria minera.
• El sistema pesa aproximadamente 1500 kg.
• Fuente remota proveedor de energía, monitoreo continuo 24/7.
• Monitoreo en tiempo real.
• Sistema de alarma que alerta automáticamente la mina sobre movimientos excedi-dos los cuales pueden ser definidos por el usuario.
• El sistema es un sistema para todo tipo de clima el cual ha operado en condiciones climáticas desde árticas hasta tropicales y en altitudes superiores a 4500m.

Casos de Estudio Compañía Thompson Creek Mining

A fin de comprender mejor y monitorear una cuña de falla en una mina de molibdeno a cielo abierto, la Compañía Thompson Creek Mining arrendó el Radar para Monitoreo de Taludes (SSR) de GroundProbe en Julio 2008.

La Mina Thompson Creek (ubicada en el centro de Idaho) es propiedad de Thompson Creek Metals Company Inc., la cual es una de las compañías más grandes públicamente listadas, productora de molibdeno puro en el mundo. La compañía también posee una instalación de procesamiento metalúrgico en Langeloth, Pennsylvania y tiene el 75% de las acciones de la Mina Endako e instalaciones de procesamiento al norte de British Columbia. La Mina Thompson Creek es una mina a cielo abierto productora de molibdeno desde 1982. Según las estimaciones del 30 de Septiembre, 2007, y basados pruebas y reservas minerales probables, la mina tiene un mínimo estimado de 10 años de vida.

Antes de la llegada del SSR, la red para monitoreo que Thompson Creek utilizaba consistía en 20 prismas y un extensómetro. Lleva produciéndose una cuña en la parte central del talud norte desde Enero 2008. El extensómetro y una prima fueron ubicados en el lugar del fracaso. La red para monitoreo del extensómetro y la prisma proporcionaron datos buenos sobre el fracaso; sin embargo, Thompson Creek busco optimizar su red para monitoreo.

El uso del SSR en Thomson Creek ha conducido a la detección de varios eventos de aceleración en la cuña de falla. Cuando estos eventos son detectados, se notifica la información y el área se despeja. No todos los eventos de aceleración indicados por el SSR condujeron a fracasos. Esto se debe a la política de Thompson Creek de emplear un enfoque conservador cuando se detectan aceleraciones, lo cual se refleja en los alarmantes umbrales establecidos por la compañía. Esta filosofía ha creado un ambiente de trabajo seguro para el personal de Thomson Creek.

Después de monitorear durante un mes con el SSR arrendado, Thompson Creek decidió comprar el SSR-X. El sistema fue entregado a Thomson Creek a finales de Noviembre, 2008.

En este caso de estudio no sobra resaltar la falla de un talud detectado con anterioridad por el SSR de GroundProbe (antes de la llegada del SSR-X). Una aceleración significante se detecto el 30 de Octubre, 2008. Thompson Creek decidió despejar al personal y al equipo en la zona en ese mismo momento. El fracaso comenzó unos días después, y la falla principal culmino el 3 de Noviembre, 2008. Ningún empleado salió herido y ningún equipo se daño durante la falla, todo concluyo despejando unas 70,000 toneladas de material.

La capacidad del SSR-X de definir la cuña de falla le dio a Thompson Creek una mayor compresión sobre la falla. Además, la capacidad del SSR-X de predecir fallas en la cuña incremento la capacidad de la mina para operar de forma segura y eficiente. Thompson Creek está orgulloso de su red para monitoreo de taludes, la cual es suministrada por el SSR-X de GroundProbe (Bates, 2007).

Mina Smoky Canyon

La Mina Smoky Canyon, propiedad de J.R. Simplot, produce anualmente más de 2 millones de toneladas de fosfato para su uso en fertilizantes y otros productos. Los Recursos de Fosfato de Smoky Canyon están ubicados en un terreno montañoso áspero del Bosque Nacional de Caribou en Idaho, a aproximadamente 20 millas de Afton, Wyoming (USA). Las operaciones en Smoky Canyon consisten principalmente en minería a cielo abierto. Una vez extraído, el mineral es molido y después diluido para formar una masa la cual es transportada vía un tubo subterráneo de 87-millas hasta Pocatello, Idaho, donde es transformado a fertilizante en Simplot’s Don Plant.

En 1992, la mina sufrió un fracaso fatal de un talud. Como medida de precaución para reducir el riesgo de que una tragedia de estas volviera a pasar, la mina fue más allá de los requisitos de MSHA (por sus siglas en ingles, agencia de seguridad en minas y administración de la salud) y otras organizaciones y utilizo el Radar para Monitoreo de Taludes (SSR) para monitorear una zona que se consideraba de alto riesgo.

La mina sufrió un alto nivel de estrés por un talud de 400 pies de alto. Con el fin de bajar el estrés, un estimado de 20,000 toneladas de material tenía que ser removido. Se estimo que un fracaso en esta zona podría resultar en una pérdida de 200,000 – 350,000 toneladas de mineral. Usando una estimación de 300,000 toneladas como una aproximación y un valor de US$225.00/tonelada, la mina estaba a punto de perder $67.5 millones de dólares. Los Gerentes de la mina determinaron que la extracción de 20,000 toneladas sin un control adecuado de monitoreo seria un riesgo que ellos no estaban dispuestos a asumir. El Radar para Monitoreo de Taludes de Ground-

Probe proporciono la información necesaria para que se tomaran decisiones seguras. El contrato de arrendamiento de corto plazo proporciono la confianza necesaria para extraer en zonas de alto riesgo, teniendo en cuenta los principios de seguridad de la empresa con un alto nivel de rentabilidad.

Smoky Canyon ha venido utilizando prismas pero, con continuo movimiento, los prismas se perdían a menudo en el área de aceleración. La mina evaluó los sistemas Optech y I-site pero después de algunos estudios optaron por el sistema prisma para monitoreo virtual Topcon, hasta entonces la mina no tenía un instrumento continuo de control crítico. Por esta situación, solo el Radar para Monitoreo de Taludes proporciono alertas tempranas mientras continuaban con la extracción, y por esta razón la Mina Smokey Canyon opto por el SSR.

Craig Howes, Ingeniero de la Mina Smoky Canyon, citó: “Manejar los riesgos puede ser un ejercicio seguro y rentable; la Mina Smoky Canyon ha comprobado este concepto.”

Casos de Estudio en Clima Frio

A diferencia de la sección anterior, la cual se enfoco en las aplicaciones del SSR en algunas de las operaciones en América del Norte, en esta sección se resaltaran algunas de las experiencias donde lidiamos con bajas temperaturas y desafíos que estas condiciones implican. En particular, tenemos el reto de hacer funcionar el sistema en climas extremadamente fríos e interpretar los datos de taludes que están totalmente cubiertos de nieve y hielo. Aunque exigentes, esto será inherente para hacer negocios con las Minas de Canadá con las cuales GroundProbe está comprometido.

El primer SSR de GroundProbe que se instalo en temperaturas extremadamente frías y condiciones climáticas de invierno, nos dio la oportunidad de determinar si el SSR podía seguir funcionando en temperaturas extremadamente bajas o no. Encontramos que con una adecuada preparación el sistema es sólido y ha operado a temperaturas tan bajas como (-61°C). El grupo de ingenieros de GroundProbe modificaron ciertas partes sensitivas. Los clientes han construido refugios con tres caras, con aislamiento y calentador. Esto es para albergar el SSR y protegerlo contra el frio y los fuertes vientos. Se ha comprobado que esta combinación ha sido exitosa para mantener el sistema en buen estado.

El monitoreo con radar en condiciones de invierno tiene dificultades particulares debido a que la nieve y el hielo son comunes durante el invierno en Canadá. El Radar para Monitoreo de Taludes mide la superficie del talud que se está deformando. Las características físicas de la nieve y el hielo son tales que el radar mide la capa de la superficie del talud (la penetración del radar es probablemente limitada en la extensión). La caída de nieve puede parecer como un cambio aleatorio en la medición de la fase del talud, reduciendo la precisión de la medición, lo que limita el movimiento a lo más mínimo posible. En cambio, cuando se derrite la nieve (por ejemplo, durante las horas del día), se producen movimientos en la zona en combinación con cambios aleatorios, dependiendo de la estructura de la nieve. Se asume que esto pasa debido a la combinación de movimientos de la circulación de la nieve y los cambios de la superficie de la nieve (lo que el radar toma como imagen – el radar no penetra significativamente ntre la nieve).

La poca coherencia y la alarma de deformación añadida al sistema para durante las fuertes nevadas sugieren que el sistema SSR tenga un valor limitado para la alarma sobre taludes frágiles con movimientos rápidos (por lo general, solo un banco de escala) durante periodos de fuertes nevadas (en otras operaciones mineras, regularmente vemos pequeños fracasos de taludes frágiles con movimientos rápidos que ocurren con menos de 1 pulgada de deformación por fracaso). Durante fracasos de taludes frágiles con movimientos rápidos es muy difícil mitigar estos riesgos durante nevadas. Sin embargo, durante condiciones invernales (periodos de fuertes nevadas) significantes riesgos de deformación en taludes pueden ser observados por el SSR cuando grandes deformaciones en el talud se están produciendo. Mayor precisión y velocidad en la medición de la deformación se pueden hacer en poco tiempo (preferiblemente horas), durante fuertes nevadas.

Algunos de los fenómenos más interesantes de invierno, los cuales no fueron inicialmente considerados durante los orígenes del Radar para Estabilidad de Taludes (en las muy calurosas minas de carbón de Queensland en Australia) son los glaciales, caídas de hielo, y avalanchas. El monitoreo de un glacial fue en un sitio minero de gran altitud en los Andes Chilenos. Aunque los tipos de movimientos fueron ruidosos durante el tiempo de altas temperaturas debido a la superficie de fusión, los tipos de movimiento observados en el glacial arriba de la mina eran de una magnitud que se tuvieron que monitorear por el personal de la mina y ellos quedaron muy contentos con los resultados. Las caídas de hielo se han observado en operaciones Canadienses y, en particular, se observo la zona donde se producía el hielo, el cual es un excelente ejemplo de identificación de riesgos utilizando el Radar para Monitoreo de Taludes. La operación se pudo entonces mitigar para este riesgo ya que ellos conocían la ubicación. Por último,las avalanchas de nieve se han monitoreado en mina en América del Norte. Se desconoce si las características de deformación de la nieve pudieron ser usadas para alarmar sobre las avalanchas, pero los datos sobre la oportunidad, la extensión geográfica, y la ubicación de las avalanchas están claramente registrados por el SSR.

Conclusiones
El SSR es tecnología de punta desarrollada para monitorear movimientos en taludes de minas a cielo abierto. Ofrece una precisión sub-milimétrica y una amplia área de cobertura de los movimientos del talud a través de la lluvia, el polvo y el humo. La visualización de los movimientos de las paredes del talud en tiempo real han permitido un continuo manejo de los riesgos relacionados con inestabilidad de taludes en un nivel de operaciones de la mina. Existen dos funciones claves donde las minas actualmente están usando el Radar para Monitoreo de Taludes:
1. Monitoreo Critico de Seguridad: el radar es usado durante la producción minera como el principal instrumento para monitoreo de control de taludes inestables.
2. Monitoreo de Campaña: el radar se mueve alrededor de la mina de forma repetitiva para comparar movimientos en cada sitio durante un largo tiempo, y determina áreas críticas. El monitoreo de campaña se utiliza a menudo de esta manera en minas metalíferas hasta que el desarrollo de un fracaso es observado.

En los casos de estudio examinados en este documento, el SSR se utilizo en ambos roles. El SSR permitió un cambio radical del manejo de los riesgos en operaciones de minas a cielo abierto, lo cual ha resultado, hasta la fecha, en una rápida asimilación de la tecnología en todo el mundo. Nuestro primer sistema SSR se instalo en Canadá en Enero 2008 y actualmente tenemos 5 sistemas instalados en Canadá. GroundProbe está comprometido y espera un éxito continuo proporcionando servicios de manejo de riesgos de taludes en tiempo real a la industria minera Canadiense.

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