Presa filtrante para depósito de jales
Óscar Vega Roldán Ingeniero civil y maestro en Ingeniería. Presidente y director general de CIEPS Consultores, SA de CV. Miembro Emérito del CICM. Perito profesional en Obras Hidráulicas y Gerencia de Proyectos. Profesor de la FIUNAM durante 65 años.
Los propósitos de formar un depósito de jales son retener los jales sólidos del proceso metalúrgico y recuperar la mayor cantidad de agua posible del depósito de la manera más eficiente. Considerando los problemas en general de una obra de contención, se planteó un nuevo enfoque: una presa filtrante. La ingeniería de presas lleva al proyecto y construcción de presas de almacenamiento, pero ahora el objetivo es otro: no almacenar el agua, sino dejarla pasar.
Palabras clave: presa, jales, minería, proyecto, seguridad, filtración.
En México se les llama “jales” a los residuos mineros; la palabra proviene del náhuatl xalli (se pronuncia shal-li), que significa “arena”.
Las grandes minas modernas explotan a cielo abierto yacimientos que frecuentemente tienen una ley del orden de apenas algunas milésimas, lo que influye en todo el proceso minero-metalúrgico. Por ejemplo, si la ley de un yacimiento de cobre es del 0.5%, de una tonelada del material del yacimiento se obtienen únicamente 5 kg de cobre, y los restantes 995 kg son residuos. El cobre por extraer se encuentra prácticamente diluido dentro del material del yacimiento, por lo que los procesos para separarlo resultan complicados.
Al avanzar en la explotación del yacimiento, la mina va creando un hoyo o agujero en el terreno, que va creciendo en extensión y profundidad por la propia explotación. A este agujero se le llama “tajo abierto”. En pocos años, el tajo de una gran mina alcanza varios kilómetros de diámetro y cientos de metros de profundidad (figura 2); el material que se extrae se obtiene en grandes piedras o rocas que se transportan a las instalaciones en que se separa el mineral buscado. El transporte se realiza por medio de camiones con capacidad de hasta 400 t; una gran mina ocupa decenas de estos camiones cada hora.
El material extraído se lleva a máquinas quebradoras, que reducen las grandes piedras a granos de solo algunos centímetros de diámetro. Estos granos son sometidos a una “molienda” dentro de los “molinos”, grandes cilindros metálicos giratorios en que se usan esferas de acero para disminuir el tamaño de los granos mediante el golpeteo continuo. En la molienda se utiliza agua en gran cantidad, para reducir el calor que se genera y para el transporte de los granos. El producto final es un material granular muy pequeño, limos y arenas finas, que salen dentro del agua del proceso en una proporción tal que el resultado se puede correctamente describir como “agua con material en suspensión”.
El siguiente paso consiste en la separación y retiro de los granos que contienen el mineral que se busca. Por la muy baja ley del yacimiento, solo unos pocos granos contienen el mineral deseado; por ejemplo, si la ley es del 0.005, solo cinco de cada mil. Para lograr esa separación y la consecuente obtención de los granos aprovechables se utiliza un método llamado “flotación”, que consiste en llevar el agua con los granos a tanques en los que se añaden ciertos productos químicos y además se agita fuertemente el líquido. Las reacciones de los granos ante esos químicos hacen que los que contienen el mineral deseado generen hidrofobia, o aversión hacia el agua, y crean una burbuja alrededor del grano, llena del gas producido por las reacciones químicas, que impide que ese grano esté en contacto con el agua como lo están los demás. Las burbujas flotan, y la espuma sube a la parte alta del tanque y es recuperada para llevarse al siguiente paso, en el que finalmente se obtendrá el mineral. Los granos restantes, 995 de cada 1,000, son los jales sólidos, que quedan dentro del gran volumen de agua utilizado y deben depositarse en algún lugar en que no causen daños.
A la mina le conviene volver a usar el agua, por lo que los jales se envían a unos espesadores, de los que se recupera gran parte de ella, y el residuo sigue siendo agua con jales, en una proporción en peso del orden de 1:1, lo que en volumen equivale casi a 3:1, por la densidad de los sólidos. Este residuo se conduce al depósito final de los jales usando el agua como medio de transporte y, ya en el depósito, los jales sólidos tienden a sedimentarse, lo que hace posible recuperar otra parte del agua, en general mediante bombeo.
Depósito de los jales
Los residuos de una gran mina se producen en cantidades muy importantes. Por ejemplo, supongamos una mina que produce al año 100,000 t de algún metal, que proviene de un yacimiento con una ley del 0.5. Con esa ley, los jales sólidos son unas 55,000 t diarias, con un volumen de unos 20,000 m3, lo que equivale a algo más de 7 millones de metros cúbicos por año; el volumen anual de agua y sólidos llegaría a unos 27 millones de metros cúbicos. Para un tiempo de explotación de 30 años, el volumen sería de más de 800 millones de metros cúbicos. Como punto de comparación, esto es el doble de la capacidad total de la presa de Valle de Bravo, de 395 millones de metros cúbicos.
El ejemplo nos hace ver que el volumen de jales de una mina grande ocupa un espacio semejante al embalse de una gran presa de almacenamiento, lo que requiere un terreno amplio, similar a un vaso, que se cierra construyendo como obra de contención una cortina o presa propiamente dicha.
Obra de contención
Es común que las grandes mineras intenten aprovechar material proveniente de los jales sólidos para constituir la obra de contención y así formar el vaso de almacenamiento de los jales restantes. Mediante el uso de equipos llamados “ciclones” se separa la fracción gruesa de los jales (arenas) de la fracción fina (limos). La obra de contención se va construyendo con las arenas, en tanto que los jales finos van quedando depositados en el vaso topográfico delimitado por dicha obra. La estabilidad de la cortina de arena requiere un talud del orden de 4:1 o aún más tendido. Sin embargo, el principal problema para la estabilidad es el agua de los jales, pues, a pesar de que se separa y recupera en gran parte en las tuberías de conducción y en los ciclones, algo queda, saturando a los jales del depósito y a una parte de las arenas que forman la cortina, lo que puede reducir su resistencia al esfuerzo cortante y llegar a producir presión de poro. Esto ha llevado a grandes accidentes en presas de jales de distintos países, con la ruptura de la presa, la inundación con agua y jales de grandes extensiones de terreno, y la muerte de muchas personas.
Por lo anterior, es indiscutiblemente más segura una cortina construida con tierra y enrocamiento, como muchas presas de almacenamiento de agua, solución que ya se ha empleado en presas para jales, como en la mina de Nacozari, Sonora. Sin embargo, subsisten algunos problemas en la recuperación del agua desde el embalse, pues el agua no deja de tener partículas sólidas en suspensión, aunque sean muy pequeñas, que erosionan el interior del equipo de bombeo y lo dañan. Adicionalmente, el continuo aumento en la elevación de la superficie del agua del depósito hace que la carga de bombeo varíe, lo que también repercute en cierta problemática para el equipo y las instalaciones de bombeo.
Presa filtrante
Como hemos dicho, los propósitos de formar un depósito de jales son los siguientes:
- Retener los jales sólidos del proceso metalúrgico.
- Recuperar la mayor cantidad de agua posible del depósito, de la manera más eficiente.
Viendo los problemas descritos al hablar en general de la obra de contención, se planteó un nuevo enfoque en el diseño con la siguiente idea de solución: una presa filtrante, un diseño especial, pues la ingeniería de presas lleva al proyecto y construcción de presas de almacenamiento, pero ahora el objetivo es el opuesto: no almacenar el agua, sino dejarla pasar.
Proyecto conceptual de la presa filtrante de Buenavista del Cobre
En las figuras 3 y 4 se muestra esquemáticamente el proyecto conceptual de la cortina para el depósito de jales de la mina de Buenavista del Cobre en Cananea, Sonora.
La presa será de tierra y enrocamiento, pero con un diseño totalmente diferente al de las presas convencionales. Lo esencial de este proyecto consiste en dar a la cara de aguas arriba de la presa una estructuración formada por tres capas inclinadas de materiales. La capa exterior es una chapa de enrocamiento de protección. A continuación viene la capa principal, que estará constituida por un material algo permeable, con un coeficiente de permeabilidad k de 10-3 cm/s. A esta capa le llamamos “núcleo semipermeable”, y su objeto es dejar pasar al agua del depósito, pero retener totalmente las partículas sólidas de los jales. Detrás de este núcleo se colocó una capa de material que llamamos “dren chimenea”; este material será del orden de 100 veces más permeable que el del núcleo, de manera que el agua del depósito, después de cruzar el núcleo, tenga facilidad para escurrir dentro de él. El dren chimenea se apoya sobre el cuerpo de la cortina, formado por material prácticamente impermeable, de manera que el agua del dren, que no tiene presión, escurre sobre la cara de este material sin penetrar en él.
Para dar salida al agua que escurre dentro del dren chimenea se proyectaron drenes horizontales, que pasan por debajo del cuerpo de la cortina y llegan hasta el exterior, al pie de su cara de aguas abajo. Estos drenes tendrán una permeabilidad mayor que la de dren chimenea, y una altura suficiente para que el gasto de agua filtrada escurra dentro de ellos libremente, eliminando cualquier posibilidad de saturación o de alguna presión hacia el material del cuerpo de la cortina, a fin de evitar que este pueda llegar a tener agua en su interior. Obviamente, se elimina toda posibilidad de presión de poro.
Datos geológicos e hidrológicos
La mina y el futuro depósito de jales se encuentran en la región geomórfica llamada Estribaciones de la Sierra Madre Occidental, Sierras y Llanuras del Norte. En la figura 5 se muestra la ubicación de la mina y de la presa en la cercanía de la ciudad de Cananea, Sonora.
La presa u obra de contención y la mayor parte del vaso del depósito quedan localizados sobre conglomerados polimícticos del Plioceno con intercalaciones de areniscas; la parte oriental del vaso está constituida por andesitas y tobas andesíticas del Cretácico, en tanto que al norte del vaso se localizan riolitas y tobas riolíticas del Paleoceno. Los conglomerados y areniscas se asientan seguramente sobre las rocas volcánicas mencionadas.
Para el proyecto se contó con exploraciones profundas y sondeos eléctricos verticales en la zona del vaso, exploraciones a lo largo del eje de la cortina y un estudio sísmico de refracción. En algunas partes del vaso existen depósitos aluviales de algunos metros de espesor, en particular en los cauces y zonas de inundación de dos arroyos intermitentes. Estos finalmente se unen en la salida del vaso y forman un solo cauce que, con el nombre de Batamote, prosigue hacia el sur y se une al río Bacanuchi, formador del río Sonora.
Los datos hidrológicos para el proyecto fueron los siguientes: hasta el sitio de la cortina, la cuenca hidrológica tiene una extensión de 103 km2. La precipitación media anual es de 550 mm y la evaporación media supera los 2,200 mm anuales.
Proyecto de la presa
A partir de la información dada por la empresa minera, se consideraron como datos de proyecto:
- Vida del yacimiento: 40 años
- Jales de 0.001 a 1.0 mm: D15 = 0.0048 mm; D85= 0.81 mm.
- Composición inicial de los lodos de jales, en peso: 50% jales sólidos, 50% agua; en volumen: 26.5% jales sólidos, 73.5% agua.
- Volumen total de agua con jales generado: 3,548 hm3, a razón de 48.73 hm3 anuales los primeros cinco años, 86.74 hm3 anuales los siguientes 10, y 97.46 hm3 cada uno de los restantes.
Se supuso que del agua que transportan los jales hasta el depósito, el 10% se pierde por evaporación o por infiltración, el 60% será recuperado al pasar a través de la cortina, y el 30% restante queda retenido en el depósito, ocupando los vacíos del material limoarenoso que son los jales sólidos.
Los volúmenes que irán quedando depositados en el vaso serán: 23.67 hm3 anuales durante los primeros cinco años, 42.13 hm3 anuales los siguientes 10 y 47.34 hm3 cada año de los últimos 25, así que la capacidad total de almacenamiento requerida para los 40 años de vidade la mina es de 1,723 hm3.
Se llevó a cabo un estudio de avenidas, estableciendo como avenida de diseño la de Tr = 10,000 años, que resultó con un gasto pico Qmáx = 420 m3/s y un volumen total de 4.7 hm3, muy pequeño comparado con la capacidad de embalse que tendrá el depósito con la presa terminada. El área de embalse máxima es de casi 30 km2 por lo que el volumen de la avenida cabría en el vaso con solo 15 cm de tirante arriba de lo que sería el NAMO, sin derramar absolutamente ningún gasto, lo que haría innecesario contar con una obra de excedencias. Sin embargo, para el proyecto se consideró disponer de un pequeño vertedor para dar a la obra una mayor seguridad.
La seguridad estructural de la presa se estudió usando el método de los círculos de falla, considerando que el material del cuerpo de la cortina tendría un ángulo de fricción interna de 35° y una cohesión de 0.5 kg/cm2. Los resultados dieron un factor de seguridad mínimo de 1.5 en el caso de condiciones finales, sin sismo, y de 1.13 en el caso del sismo de diseño, considerando un sismo pseudoestático de 0.14 g, aceleración sísmica resultante de estudios del Instituto de Ingeniería de la UNAM. Estos valores muestran una muy buena seguridad, pues los factores de seguridad mínimos aceptables en el diseño de grandes presas son de 1.3 para el caso sin sismo y de 1.0 para el sismo pseudoestático.
Información adicional del proyecto
Algunos datos del proyecto son que la altura máxima de la cortina terminada será de 172 m, en tanto que su longitud por la corona será de 6,512 m; el volumen total de la cortina será de 158 hm3, y los anchos de los drenes de descarga suman 4,155 metros.
Las principales especificaciones particulares de construcción se establecieron para que los diferentes materiales de la cortina cumplan con el coeficiente de permeabilidad requerido en cada caso y para que la compactación sea la suficiente para cumplir las condiciones de seguridad establecidas.
Por otra parte, considerando que el volumen de materiales por colocar es sumamente grande (del orden de 10 veces el volumen de cortina de una presa como las de las mayores hidroeléctricas de México) y que el plazo de construcción es de 40 años, se estableció un plan general de construcción dividido en ocho etapas, siempre buscando que la altura de la corona de la etapa construida quede suficientemente arriba del nivel del agua de los jales que se van depositando en el vaso.
En la figura 1 se puede ver el estado actual de la construcción de esta presa.
Conclusión y recomendaciones
De la exposición hecha, la conclusión principal es que una presa filtrante como la proyectada es una solución muy clara, factible y segura para constituir la obra de contención del depósito de jales de una mina grande, facilitando tanto la retención de los jales sólidos como la recuperación del agua usada en el proceso de obtención del mineral contenido en los materiales del yacimiento de la mina. La recomendación inmediata es tener en observación continua a la presa de la mina de Cananea en construcción, para tomar datos sobre su comportamiento y hacer las adecuaciones que se requieran para su mejor funcionamiento. Otra recomendación es considerar este diseño como un proyecto básico para otros grandes depósitos de jales.
