Geotecnia en minería: La importancia del estudio del terreno

La geotecnia se refiere a la aplicación de principios geológicos y de ingeniería en el comportamiento de suelos, rocas y aguas subterráneas, además del estudio de las propiedades mecánicas, hidráulicas e ingenieriles de los materiales provenientes de la tierra para diseñar cimentaciones para estructuras como edificios, puentes, estabilización de taludes, entre otras.
Algunas etapas para estos estudios incluyen la exploración, análisis de muestras, caracterización, diseño del proyecto y monitoreo geotécnico mediante instrumentos, el que puede llevarse a cabo durante las etapas de construcción, operación y cierre.
Algunas tecnologías relacionadas a la instrumentación geotécnica corresponden a implementación de sistemas de comunicación inalámbrica para la transferencia de lecturas obtenidas, uso de fibra óptica, sensores MEMS, escáner láser, entre otras, implementados con comunicación inalámbrica para la transferencia de lecturas obtenidas o bien mediante fibra óptica.

Los proyectos constructivos de todo ámbito se fundan sobre el suelo o roca, razón por la cual su estudio y análisis resulta fundamental. “No existe obra física en la superficie de la tierra o al interior de la misma en que las estructuras que se construyan o los equipos que se instalen no apliquen algún tipo de solicitación o carga sobre el suelo o roca en el que se apoyen y a la vez no originen algún tipo de interacción entre los componentes del terreno y ellos”. La aplicación de principios geológicos y de ingeniería en el comportamiento de suelos, rocas y aguas subterráneas, se denomina geotecnia, la que además se encarga del estudio de las propiedades mecánicas, hidráulicas e ingenieriles de los materiales provenientes de la tierra para diseñar cimentaciones para estructuras tales como edificios, puentes, estabilizar taludes, construir túneles y carreteras, centrales hidroeléctricas, entre otros.

En minería, estos estudios resultan de vital importancia considerando no solo la construcción de proyectos, sino que también por la explotación de mineral. Y es que la geotecnia toma en cuenta las fuerzas naturales e inducidas como resultado del desarrollo de excavaciones subterráneas o a rajo abierto, solucionando el problema de potenciales inestabilidades en las labores. “En los proyectos mineros la geotecnia y su ingeniería son fundamentales para analizar fundaciones de estructuras y equipos, definir métodos de excavación y soportes de túneles, cavernas, piques y de los rajos mineros. También cumplen un rol importante en el diseño de las presas en depósitos de relaves y en especial de las presas construidas con arenas de relaves”, la geotecnia ha llegado a cumplir un papel importante en el análisis y solución de problemas ambientales a través del estudio de flujos subterráneos de fluidos (agua u otros).

Esta disciplina, además, se asocia a dos aspectos relevantes: la seguridad de los trabajadores y la sustentabilidad de los procesos productivos. En el caso del primero posibilita tomar las acciones necesarias para que una mina tenga la estabilidad suficiente, con lo cual las personas pueden trabajar sin sufrir lesiones o accidentes fatales producto de un derrumbe.
Desde el punto de vista de los procesos productivos, en tanto, la estabilidad lograda del macizo rocoso permite desarrollar, en forma continua, todas las actividades asociadas a la extracción de minerales desde la mina, con los consiguientes beneficios esperados (continuidad operacional).
Dependiendo del tipo de proyecto que se quiera realizar, los pasos para llevar a cabo la primera fase de un estudio geotécnico son similares y lo que cambia son las escalas, cantidad y especificidad de ensayos requeridos, los que están relacionados con los riesgos que se quieran cubrir.

En primer lugar, se comienza por el análisis de los antecedentes existentes (fotografías satelitales y aéreas, geología y geomorfología disponible, estudios de proyectos cercanos, reconocimiento del sitio por especialistas en la geología y geotecnia, etcétera), para luego dar paso a la prospección. “Por lo general la inspección visual y la toma de muestras se realiza a través de sondajes y/o calicatas. Su elección dependerá de factores como el aspecto económico y el tipo de material, entre otros, ya que, por ejemplo, en suelos arenosos saturados o suelos muy cementados, la calicata presentará problemas para realizarse, mientras que los sondajes tienen más facilidad para traspasar ese tipo de elementos”. Tanto las calicatas como los sondajes tienen por objetivo extraer muestras para obtener una estratigrafía del suelo; de esta forma, el ingeniero geotécnico define cuáles muestras se deben ensayar en el laboratorio y así obtener parámetros geotécnicos relevantes para el proyecto. También se pueden realizar ensayos in situ cuando sea necesario, tanto en profundidad como en superficie.

“Una vez que se realiza el reconocimiento visual, la revisión de todos los antecedentes, las exploraciones y todos los ensayos que se estimen necesarios, se termina con una caracterización del terreno de fundación de la obra, identificando la distribución del área y en profundidad de los distintos estratos de suelo, roca, zonas de contacto, fallas geológicas, suelos complejos que requieran remoción, definir niveles freáticos, etcétera”

Con el aumento del desarrollo mundial, sigue la demanda de minerales. En este contexto, «minerales» puede referirse a diferentes tipos de rocas y sedimentos, pero más probablemente a productos básicos como oro, cobre, hierro, etc. Además de la demanda continua del desarrollo global «normal», impulsado por comunidades en expansión y los aumentos asociados en la infraestructura y bienes de consumo, a menudo hay picos en la demanda para cubrir áreas de crecimiento repentino. Estamos experimentando un fenómeno de este tipo ahora con muchos países comprometiéndose con objetivos ecológicos que dependen de nuevas tecnologías electrónicas y de baterías, lo que impulsa la búsqueda de materiales específicos dentro de la corteza terrestre.
La exploración de minerales puede ser bastante desafiante con grandes áreas para cubrir, a veces en terrenos muy accidentados, con estructuras geológicas complicadas que ocultan los minerales que queremos extraer. Los depósitos pueden ser profundos, pequeños y/o dispersos o tener una baja ley del mineral deseado. El contraste físico entre el host y nuestro objetivo también puede ser bajo, si lo hay.

Esto significa que la técnica de investigación elegida debería ser capaz de abordar estos problemas. En primer lugar, se debe elegir un método sabiendo que su respuesta al material anfitrión y al recurso de destino proporcionará suficiente contraste para identificar anomalías que se deben explorar más a fondo, es decir, investigar con más detalle.
Durante décadas, se han realizado importantes exploraciones con instrumentos geofísicos como magnetómetros, gravímetros, diferentes sistemas EM (electromagnéticos), equipos de resistividad, SP (autopotencial) e IP (polarización inducida). Todos estos pueden proporcionar una excelente cobertura del área de interés, tanto horizontal como verticalmente.
Cabe señalar que la exploración no se limita a la búsqueda de nuevos yacimientos sino también a la reevaluación de yacimientos conocidos o áreas previamente censadas para reevaluarlos. Esto podría ser en respuesta a la disponibilidad de nuevas tecnologías para detectar o procesar el material, o debido al aumento de los precios de los productos básicos, lo que hace que los depósitos que antes eran inviables sean rentables. La exploración también puede estar relacionada con la expansión de recursos minerales en sitios mineros activos o con la reprocesamiento de material de desecho.
Una vez realizadas las investigaciones geofísicas iniciales, comienza una fase más detallada, que incluye investigaciones geofísicas específicas, a menudo en pozos y también mediante un programa de extracción de muestras y muestreo físico.

La amplia gama de técnicas de investigación geofísica de Sensor Vital puede resolver algunas de las preguntas más comunes que surgen durante la fase de exploración de un proyecto minero. Brindarán una forma no destructiva y rentable de obtener una mejor comprensión de las condiciones del subsuelo.

Para la prospección y exploración, IP (polarización inducida), EM y resistividad son métodos geofísicos importantes a utilizar, junto con SP (autopotencial). GPR y sísmica también pueden proporcionar información importante, especialmente investigaciones de pozos.
Debe recordarse que, en la búsqueda de algunos productos básicos, la identificación del mineral no es el objetivo principal, sino el entorno geológico en el que es probable que se encuentre. El oro, por ejemplo, es difícil de detectar directamente, pero los depósitos que pueden contenerlo se pueden encontrar en función de las propiedades eléctricas, incluidas la conductividad, la resistividad y la capacidad de carga.

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Las encuestas de resistividad e IP se llevan a cabo con mayor frecuencia en combinación. Se utiliza el mismo equipo para ambos y medir los dos parámetros en lugar de uno no prolonga necesariamente en gran medida los tiempos de adquisición de campo. El IP proporcionará información complementaria adicional a la resistividad, que es una ayuda crítica para la interpretación cuando se emprende la exploración mineral para objetivos particulares. Las mediciones se pueden realizar desde la superficie o con una combinación de electrodos de superficie y de pozo para mejorar la resolución y la definición de los objetivos en 3D.
Las mediciones de resistividad son adecuadas para:

  • Investigación de zonas de cizalla, diques, formaciones de cuarzo conductoras, rellenas de arcilla o resistivas. Estas formaciones pueden albergar el mineral deseado.
  • Mapeo de la profundidad del lecho rocoso y la topografía del lecho rocoso
  • Investigaciones de litología
  • Los datos IP son adecuados para:
  • Detección y mapeo de mineralización diseminada, incluso de baja ley.
  • Proporcionar información sobre la química de la superficie del grano.
  • Investigaciones de litología
  • Los datos IP son adecuados para:
    • Detección y mapeo de mineralización diseminada, incluso de baja ley.
    • Proporcionar información sobre la química de la superficie del grano.
    • Investigaciones de litología

Por ejemplo, la IP se puede utilizar para el oro, ya que la capacidad de carga de la formación aurífera (más a menudo la mineralización de sulfuro) tiene una capacidad de carga mayor que las formaciones geológicas circundantes. Solo a partir de la resistividad, podría ser difícil diferenciar entre la mineralización de baja resistividad y, por ejemplo, las zonas de fractura que contienen agua.

Las investigaciones TEM son adecuadas para:
• Mapeo de depósitos minerales conductores como sulfuros polimetálicos de alto grado (Cu, Zn, Pb ± Au, Ag) o Ni-Cu (±Co) en roca máfica
• Yacimientos de oro relacionados con pirrotita de alta ley o mineralización de pirita.
• Mapeo de profundidad a una unidad de lecho rocoso
• Mapeo del tipo de lecho rocoso y la variación dentro de él
Los avances en el software de procesamiento ahora hacen posible comenzar a extraer efectos IP de los datos TEM, lo que abre nuevas oportunidades para el uso de sistemas TEM dentro de la exploración minera.

Las investigaciones de SP también se pueden llevar a cabo con casi la misma instrumentación que para IP y resistividad, con algunos requisitos con respecto a los electrodos de medición. Las medidas de SP son adecuadas para:
Exploración de mineralización de sulfuros; estas formaciones suelen albergar metales básicos como Cu, Zn, Ni y Pb.

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Las consideraciones clave al seleccionar qué método emplear serán «¿cuál es el mineral objetivo?» y “¿cuál es el entorno geológico?”. Estos se han resumido en las secciones anteriores, sin embargo, es muy probable que haya otros factores a considerar que pueden impedir el uso de una metodología en particular. Por ejemplo:

  • TEM no es adecuado en o cerca de áreas urbanas e infraestructura debido a las fuentes de perturbaciones electromagnéticas, las mediciones de IP y SP pueden ser sensibles a las perturbaciones eléctricas de los trenes, los procesos industriales y las tormentas eléctricas.
  • TEM podría ser más adecuado para investigaciones profundas (>500 m) de cuerpos conductores en comparación con los sistemas compactos de resistividad / IP que pueden estar limitados por el acceso, la potencia del equipo o los aspectos prácticos generales de la inspección.
  • La resistividad requiere contacto galvánico a través de electrodos de alguna descripción, que puede ser duro y consumir mucho tiempo en entornos con roca desnuda, sobrecarga muy resistiva o asfalto, etc.
  • TEM no es adecuado para diferenciar entre unidades geológicas altamente resistivas; el método responde mejor a las características conductivas. En geologías complejas, se debe considerar cuidadosamente cómo se recopilan los datos TEM y es probable que se requiera un modelo numérico 3D complejo.