EVALUACION DEL EFECTO EOLICO EN TRANQUES DE RELAVE

CAMSIG 2006, Argentina 2006 Espinace, Raúl; Palma, Juan*; Valenzuela, Pamela; Jaramillo, Ivonne; Miranda, Aldo; Salinas, Ricardo; Bialostoki, José P. Universidad Católica de Valparaíso, Av. Brasil 2147 Valparaíso, Chile; jpalma@ucv.cl RESUMEN El sector minero chileno por muchos años, ha estado constituido fundamentalmente por productores de cobre, y en menor medida de oro, plata y otros minerales. Los residuos del proceso de flotación para alcanzar la producción de concentrado de cobre, se denominan relaves y el método de tratamiento final más extendido consiste en depositarlos en tranques de relave. Actualmente el manejo de los relaves, considera la protección del ambiente, estableciéndose fuertes restricciones para impedir la contaminación, sin embargo, no se puede negar la existencia de diversos impactos y daños. La erosión eólica es uno de ellos, debido al constante desgaste y movimiento de partículas de diferentes tamaños. El presente artículo presenta resultados obtenidos en el proyecto de investigación FONDEF D00I1101 “Metodología Integrada para rehabilitar rellenos sanitarios y tranques de relave”, realizado entre el año 2001 y 2004 en la Pontificia Universidad Católica de Valparaíso. Esta investigación consideraba entre sus objetivos, mejorar las condiciones de resistencia a la erosión eólica en tranques de relave. El presente trabajo busca contribuir con información técnica que permita mejorar el conocimiento respecto de los efectos de la erosión eólica en los tranques de arenas de relave. Se presenta una propuesta metodológica que permite evaluar y diagnosticar la erosión eólica en la fase de diseño y operación de los tranques de relave y su posible tratamiento, exponiendo soluciones de estabilización que se puedan implementar durante la operación, el cierre o abandono de estos depósitos. ABSTRACT The Chilean mining sector has been mainly constituted by copper, gold and silver producers. The flotation process residues, produced by copper concentrate process, are known as tailings and the widely used method for their final deposition is to put them on tailing dams. The aeolian erosion is a very complex process controlled by different climate and environmental factors which cause wearing out and movement of different particles. As the dam grows during the operational stage, the height as well as the wind action of the resistant wall increases. This generates important problems that can be focused on three fields: mechanical stability, environment and operation. This article presents the results obtained during the development of research project carried out in 2001-2004 in the Pontificia Universidad Católica de Valparaíso. The objectives of this research were to improve the resistance of tailing dams to aeolian erosion using vegetation or soil stabilization for the restoring process. A methodological proposal is presented which allows the evaluation and diagnosis of the aeolian erosion during the design stage and operation of the tailing dams, as well as the possible treatments. Furthermore, stabilization solutions are presented to be implemented during the operation, closing or abandonment of these deposits. Palabras claves: minería, tranque de relave, erosión eólica. 1. ANTECEDENTES GENERALES DE LOS TRANQUES DE RELAVE

El sector minero chileno por muchos años, ha estado constituido fundamentalmente por productores de cobre, y en menor medida de oro, plata y otros minerales, constituyéndose históricamente en la actividad más importante para la economía del país. En la minería chilena se pueden identificar tres segmentos: la gran minería, la mediana minería y la minería pequeña y artesanal. La minería estatal la llevan a cabo a gran escala La Corporación Nacional del Cobre (CODELCO) y la Empresa Nacional de Minería (ENAMI). En la minería privada operan empresas relacionadas con los tres segmentos mencionados. Una de las definiciones actuales plantea que la gran minería incluye a todas aquellas empresas que producen anualmente más de 75.000 t de cobre metálico o su equivalente, se suman además aquellas que aunque no alcanzan este nivel de producción, son filiales de grandes transnacionales mineras, operan con tecnología de punta, acceden a los mercados financieros internacionales, tienen capacidad e infraestructura para colocar su producto en el mercado nacional e internacional de concentrados, son altamente competitivas y por lo tanto, no requieren de la labor de fomento del Estado. En la mediana minería se encuentran todas aquellas empresas que producen anualmente entre 1.500 t a 75.000 t de cobre fino al año, participan de la actividad de fomento del Estado y venden concentrados o precipitados de cobre mayoritariamente a ENAMI, bajo un sistema de contratos que aseguran la compra de toda la producción. La pequeña minería es una forma de vida y trabajo fundamentalmente del norte y centro de Chile y se trata de una actividad a la que generalmente se le atribuye un impacto social importante. El cobre se presenta en forma de óxidos o sulfuros, utilizando el proceso de lixiviación y el de flotación respectivamente, como métodos de concentración. El material en forma de sulfuro y de óxidos cuenta con porcentajes diversos de cobre (ley). El proceso de producción del cobre en forma de sulfuros contempla de manera resumida, las etapas que a continuación se mencionan: - Prospección. Etapa de búsqueda del mineral, la cual se lleva a cabo con levantamientos

topográficos a gran escala, antecedentes y estudios geológicos además de levantamientos aerofotogramétricos de los terrenos.

- Explotación. Faena en la que se extrae el material mediante el uso de explosivos. - Carguío y transporte. En esta etapa el material es transportado por cargadores y vehículos

especiales a los molinos. - Molienda. Etapa donde se reduce el tamaño del material mediante procesos de molienda en

molinos de bolas, de barras o molienda autógena, obteniéndose una granulometría correspondiente a arena fina y limo.

- Concentración. Debido a que sólo pueden fundirse los minerales de alta ley, los minerales en forma de sulfuros deben ser separados mediante un proceso de concentración por flotación.

- Fundición. Finalizada la etapa de concentración, el mineral es fundido para separar mediante fusión el cobre de las impurezas que lo acompañan, concluyendo el proceso con la refinación del cobre blister mediante fuego y electrólisis.

La explotación y producción minera significativos volúmenes de residuos provenientes de distintas etapas de la explotación. Primero está la formación de estériles, material removido del yacimiento que no entra en proceso de beneficio. Luego de los diferentes procesos de extracción de minerales (amalgamación, lixiviación y flotación) se generan como residuos principales, las escorias, ripios de lixiviación y relaves. Los relaves son residuos producidos en el proceso de flotación de minerales, constituidos fundamentalmente por el mismo material del yacimiento al cual se le ha extraído la fracción mineral. Antiguamente estos residuos eran depositados directamente a los ríos, quebradas o el mar, lo que ocasionó efectos negativos en los ecosistemas; actualmente, se almacenan en tranques de relave. El relave es conducido principalmente en forma de pulpa (mezcla de

aproximadamente 50% en peso de sólidos y 50% de agua). Una parte del agua es recuperada hacia la planta y otra fracción queda almacenada con los sólidos en el tranque. La experiencia en Chile indica que el método más utilizado para la disposición final de los relaves mineros, principalmente en la mediana minería, es el tranque de arenas de relaves. Estos depósitos son de tipo superficial con un muro inicial de material de empréstito, el que es cubierto en las etapas siguientes por el proceso de depositación de los relaves, distribuyendo la fracción gruesa, arena, en dicho muro y la fracción más fina, denominada lamas, en la cubeta del embalse. La separación del relave en arenas y lamas se realiza por medio del empleo de hidrociclones que producen esta separación mediante fuerza centrífuga. El principal problema que pueden presentar estos tranques de relaves debido a las condiciones sísmicas de Chile, es la licuefacción de las arenas, por lo que es necesario construir un prisma resistente no susceptible a licuación. Las arenas con suficiente densidad y no saturadas están más libres de licuefacción al momento de sufrir un movimiento sísmico violento y prolongado. Los tranques de relaves deben resistir diversos eventos naturales durante un tiempo prolongado, con lo que se generan riesgos para el medio ambiente y la salud pública en extensas zonas, a corto o largo plazo. Para minimizar y controlar los riesgos asociados a su construcción, se debe prestar especial atención a las etapas de diseño, construcción y operación, además de una planificación para el cierre o etapa de abandono. Entre otros problemas que se pueden producir destacan, el impacto visual, las alteraciones morfológicas y paisajísticas, la contaminación del agua, del aire y del suelo. Uno de los agentes que agravan los impactos anteriormente señalados es el fenómeno de la erosión, la que se manifiesta principalmente en forma hídrica y/o eólica, pudiendo generar grandes riesgos de inestabilidad mecánica si no se toman las medidas necesarias para minimizar sus efectos. La contaminación del suelo, del agua y la erosión hídrica están muy estudiadas y son consideradas en todos los proyectos desde la etapa de diseño, en cambio, es sabido que tanto en nuestro país como a nivel mundial, el efecto producido por el viento en los tranques de arenas de relave habitualmente no es considerado en las etapas de diseño, operación y cierre. Este problema puede ser significativo, no tan sólo por los efectos contaminantes que se generan al arrastrar los sedimentos del depósito, sino que también por la erosión que se origina en la superficie del talud del tranque, lo que produce una pérdida de revancha, variación de la geometría proyectada y disminución de las propiedades resistentes del talud, generando mayores riesgos de inestabilidad. Actualmente, la operación de los tranques de relave considera la protección del ambiente, pero no se puede negar la existencia de impactos y daños generados durante la etapa y posterior al abandono si no se toman las medidas preventivas necesarias. Actualmente Chile cuenta con una normativa de cierre de faenas mineras que establece que los proyectos de tranques de relave que se presenten a aprobación por parte de la autoridad, deben contener un plan de cierre que establezca el término de las operaciones en forma ordenada, eficiente, progresiva y oportuna, con estricto cumplimiento del marco jurídico ambiental vigente. También existe una normativa para los tranques en operación y abandono. Ambas tienen por finalidad minimizar los riesgos y efectos que pueda tener el tranque en su estabilidad, sobre la salud y seguridad de las personas y el medio ambiente. La obligación de realizar planes de cierre y abandono radica en evitar problemas futuros generados por los acopios masivos que crea la actividad minera. Actualmente en Chile existe una gran cantidad de instalaciones mineras abandonadas que han pasado a formar parte de los pasivos ambientales mineros, con todos los problemas que ello involucra. Una gran parte de las instalaciones mineras abandonadas no están sometidas a la ley de Bases del Medio Ambiente, realizándose sólo las actividades de cierre estipuladas en el Reglamento de Seguridad Minera, por lo que estos sitios abandonados, han pasado a formar un “pasivo ambiental” del país. La denominación de pasivos ambientales mineros fue abordada en el Primer Taller Pan-Americano sobre Minas Abandonadas, realizado en Santiago de Chile en Junio 2001, y hace referencia a los impactos negativos generados por las operaciones mineras abandonadas con o sin dueño u operador

identificable y en donde no se haya realizado un cierre de minas regulado y certificado por la autoridad correspondiente. Los residuos mineros llegan a ser pasivos ambientales cuando provocan inseguridad a la población, contaminación de las aguas, contaminación de los suelos, contaminación del aire y una perturbación al paisaje y/o entorno. Para ser más precisos, los pasivos ambientales se pueden manifestar en derrumbes, colapsos, filtraciones que producen una contaminación de las aguas, derrames, y emisiones de polvo. 2. LA EROSIÓN EÓLICA EN TRANQUES DE RELAVE La erosión eólica en tranques de relave es un proceso complejo controlado por diversos factores climáticos y ambientales, que ocasiona movimiento de partículas de diferentes tamaños. Las dos variables fundamentales del fenómeno son el viento y el suelo, pero enfocando la erosión eólica en los tranques de arenas de relave aparece una tercera variable a considerar, que es la altura. A medida que el tranque va creciendo en la etapa de operación, la altura de muro resistente aumenta al igual que la acción del viento sobre éste, llegando a un instante en que se generan problemas de enorme importancia enfocados en 3 ámbitos: estabilidad mecánica, ambiente y operación. Actualmente a nivel mundial, el tema de la erosión eólica en tranques de arenas de relave se enfrenta sólo durante la etapa de operación, una vez que se han hecho presente los problemas erosivos, tomándose medidas orientadas a la mitigación del problema a través de sistemas estabilizadores generalmente temporales, los cuales son de un costo significativo. La erosión eólica se va a producir dependiendo de las condiciones que presente el viento como agente erosivo, de las características del suelo y susceptibilidad de éste a erosionarse, siendo también un factor importante la vegetación existente. En el proceso de la erosión eólica, el viento está gobernado por el comportamiento de la circulación atmosférica. La estructura de la dinámica atmosférica, nombre que se designa al estudio de estos factores, viene dada, entre otras, por la presión atmosférica, el viento, las influencias friccionales, los frentes y masas de aire. En general la erosión eólica, y por ende la acción del viento, se desarrolla en un mayor grado en los climas desérticos, los cuales se caracterizan por una alta radiación y estabilidad atmosférica. La radiación solar es la generatriz de todos los procesos meteorológicos y climáticos que se dan en el planeta, atraviesa la atmósfera calentando la tierra y transmitiendo este calor a la masa de aire. Sin embargo, no todas las partes de la tierra se calientan de la misma forma, generándose así los intercambios térmicos entre las zonas más frías y las más calientes. De esta forma, la radiación pasa a ser el principal motor de la dinámica atmosférica en los climas desérticos. Si bien no se descartan incursiones de sistemas frontales u otras perturbaciones, esta variable es la que generalmente determina la capacidad de ventilación, intensifica o debilita el viento y define su dirección y turbulencia, haciendo crecer o decrecer la capa de mezcla. Para establecer el comportamiento del viento es necesario determinar la estabilidad atmosférica, variable meteorológica que entrega el factor de estratificación o turbulencia que posee la atmósfera. El viento está definido principalmente por la componente horizontal del movimiento del aire, generado por la diferencia de presión entre dos puntos de la superficie terrestre, atribuidos a diferencias de temperaturas, desplazándose desde áreas de alta presión a zonas de baja presión. Las variaciones en la distribución de presión y temperatura se deben, en gran medida, a la distribución desigual del calentamiento solar de la superficie terrestre. La velocidad con que se realizan estos movimientos de aire se denomina intensidad del viento y depende de la magnitud de la variación de presión, pues cuando mayores son éstas, mayor es la intensidad del viento. Además es muy importante conocer la dirección del viento, la cual se define como el punto o región del horizonte de donde proviene. La velocidad del viento no es matemáticamente constante en dirección ni intensidad. Casi siempre experimenta fluctuaciones que se suceden con intervalos cortos de pocos segundos. De acuerdo a

su movimiento o flujo se pueden distinguir dos tipos de viento: laminar o turbulento. En el viento laminar, las partículas de aire se desplazan en forma paralela a la superficie terrestre, de manera que la velocidad y dirección permanecen constantes por largo tiempo, y en el caso del viento turbulento, las partículas de aire adoptan trayectorias desordenadas o turbulentas de carácter helicoidal, en donde sí aparece la componente vertical debido a las siguientes causas: desviación del viento por la forma del relieve y presencia de obstáculos (turbulencia mecánica), y movimiento de las masas de aire debido a las diferencias de temperatura (turbulencia térmica). El flujo de aire turbulento es el que produce erosión. Si se midiera la componente vertical del movimiento del aire, se encontraría que es grande en tormentas, tornados, etc., así como en los remolinos muy pequeños; pero considerando corrientes atmosféricas de gran escala, se encuentra que el movimiento es predominantemente horizontal. El viento sólo adquiere naturaleza de agente de erosión cuando alcanza y supera cierta velocidad y encuentra obstáculos a los que puede mover. La velocidad media del viento aumenta exponencialmente con la altura sobre la superficie aerodinámica media (Fig. 1), esta altura sobre la superficie del suelo depende primariamente de la altura de la vegetación u otros rasgos de desigualdad superficial del suelo, se le conoce con el nombre de altura de desplazamiento cero. El aire se encuentra en calma o en movimiento lento dentro de esta zona. La rugosidad total de la superficie es igual a la altura de desplazamiento cero más la rugosidad de la superficie aerodinámica, que depende de las variaciones de la altura, densidad y otras características de la superficie. La velocidad cero del viento se encuentra a una altura k sobre la superficie aerodinámica media. Su valor aumenta con la rugosidad de la superficie aerodinámica.

Figura 1: velocidad del viento en función de la altura Fuente: Jaramillo, I. Miranda, A., 2003. La expresión matemática de la variación de la velocidad del viento con la altura se denomina ley de cortadura de viento, las leyes de cortadura comúnmente empleadas son la ley logarítmica y la ley potencial, ambas permiten obtener la representación del perfil de viento en la capa superficial. La ley potencial obtenida de la Norma Chilena 432 Of. 71, utilizada para el cálculo de la acción del viento sobre las construcciones la que queda definida por la expresión:

p

refzz z

zvvref ⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛= (1)

Siendo: vz : velocidad promedio del viento a cualquiera altura z, vref : velocidad promedio del viento en altura zref, z : altura a la que se mide la velocidad vz,

zref : altura hasta donde se manifiesta la influencia del rozamiento, p : exponente cuyo valor depende de la rugosidad del suelo. Utilizando esta ecuación y asumiendo la presión básica de viento según la NCh 432 Of. 71 la que está especificada para todo tipo de obras civiles, se puede determinar las velocidades a diferentes alturas. Para la determinación del exponente p existen dos criterios fundamentales. El primero fue desarrollado por Justus y Mikhail, para un valor de rugosidad z0 entre 0,01 cm y 0,5 cm, que es aplicable a las arenas de relave y se establece en la siguiente expresión:

[ ]

⎥⎦⎤

⎢⎣⎡−

−=

1008801

0880370ref

zref

zvp

ln,(

)ln,,( (2)

El segundo criterio, adopta directamente p = 1/7 y es aplicable a sitios de poca rugosidad. Dependiendo de la categoría de estabilidad atmosférica del área donde sopla el viento y si es una superficie urbana o rural, se pueden asignar diferentes valores al exponente p, según Pasquill, existen seis categorías de estabilidad (Fig. 2).

Categoría de estabilidad Descripción Exponente p

ambiente ruralExponente p

ambiente urbanoA Muy inestable 0,07 0,15 B Moderadamente inestable 0,07 0,15 C Levemente inestable 0,10 0,20 D Neutral 0,15 0,25 E Levemente estable 0,35 0,30 F Estable 0,55 0,30

Figura 2: categorías de estabilidad atmosféricas según Pasquill. Fuente: Jaramillo, I. Miranda, A., 2003. Cuando no existen instrumentos para medir en forma directa la velocidad del viento, se puede recurrir a la escala Beafort (Fig. 3), la cual estima la velocidad del viento a partir de la observación de los efectos que ejerce sobre los objetos que se oponen al desplazamiento de la masa de aire.

Nº Beafort Velocidad Viento (m/seg) Efectos en la tierra Designación 0 0,0 – 0,2 Humo se eleva vertical Calma 1 0,3 – 1,5 Humo se inclina Flojo 2 1,6 – 3,3 Hojas se mueven - 3 3,4 – 5,5 Hojas se agitan Suave 4 5,5 – 7,9 Mueve ramas pequeñas Moderado 5 8,0 – 10,7 Mueve árboles pequeños Fresco 6 10,8 – 13,8 Mueve ramas grandes Fuerte 7 13,9 – 17,1 Mueve árboles - 8 17,2 – 20,7 Desgasta ramas Galerna 9 20,8 – 24,4 Destroza chimeneas -

10 24,5 – 28,4 Arranca árboles Temporal 11 28,5 – 32,6 Grandes destrozos - 12 > 32,7 Huracán Huracán

Figura 3: escala de Beafort. Fuente: Jaramillo, I. Miranda, A., 2003. Los factores climáticos como precipitación, temperatura, humedad atmosférica y vientos tienen una influencia central en la generación y desarrollo de los procesos de erosión eólica. A mayores precipitaciones y contenidos de humedad, el suelo es más resistente a las voladuras, mientras que las elevadas temperaturas, la baja humedad del aire y los vientos fuertes influyen en la evapotranspiración determinando la pérdida del agua edáfica. Dentro de los factores que afectan la magnitud de la erosión eólica, que servirá de referencia para posteriormente desglosar y determinar los factores más incidentes que afectan a los tranque de arenas de relaves, se cuentan la aridez del clima, la velocidad del viento, la estructura y textura del suelo, rugosidad de la superficie del suelo y la vegetación. Con respecto a la estructura y textura del suelo, se tiene que la arena arcillosa, rica en partículas de tamaño entre 10 y 100 micras, es el suelo más vulnerable (Bagnold, 1941), mientras más arcilloso es el suelo es mucho más cohesivo, de buena estructura y por lo tanto más resistente. Las rocas, arenas o areniscas también son más resistentes, puesto que las partículas son demasiado pesadas para ser arrastradas por el viento. La erosionabilidad del suelo por causa de los vientos está relacionada con la textura y su estabilidad estructural, los suelos de textura gruesa son más susceptibles a erosionarse y menos propensos a formar estructuras estables. El tamaño óptimo que deben tener las partículas para ser erosionadas es aproximadamente 80 micras (aproximadamente malla #200 ASTM). La velocidad del viento se reduce al aumentar la rugosidad de la superficie del suelo, disminuyendo la posibilidad de traslación de las partículas. La Figura 4 muestra diferentes valores de longitud de rugosidad, z0, cuyo sentido físico es la altura a la que la velocidad media es cero cuando el viento tiene una variación logarítmica con la altura.

Tipo de superficie Valor de z0 (cm) Arena 0,01 – 0,1

Superficie nevada 0,1 – 0,6 Hierba segada 0,6 – 1 Hierba corta 1 – 4 Hierba larga 4 – 10

Figura 4: algunos valores de z0 dependiendo del tipo de superficie. Fuente: Jaramillo, I. Miranda, A., 2003. La extensión del terreno afectada es otro factor importante, ya que al tener un área determinada orientada en el sentido de la dirección del viento, se producirá erosión eólica cuya intensidad aumenta a lo largo de la dirección del viento. Esto sucede como consecuencia de la progresiva acumulación de las partículas erosionables, intensificándose la erosión con el tiempo y con la longitud del terreno. Cuando la extensión del área afectada, es pequeña, la erosión es rápida al principio, disminuyéndose con la duración de la exposición y cesando cuando la cantidad de partículas no erosionables en el suelo es suficiente para protegerlo de la acción del viento. Una de las causas principales de la erosión eólica es la disminución de la cubierta vegetal o la simple ausencia de ésta como es el caso de las regiones áridas y semiáridas. El efecto de la vegetación en relación con la erodabilidad del suelo dependerá principalmente de su altura y densidad. La vegetación actúa como una capa protectora o amortiguadora entre la atmósfera y el suelo, ya que los componentes aéreos como hojas y tallos absorben parte de la energía del viento, de modo que su efecto sobre el suelo es menor, los componentes subterráneos, como los sistemas radiculares, también contribuyen a la resistencia mecánica del suelo. Otro aporte importante de la vegetación es la incorporación de materia orgánica al suelo, la cual dependiendo del grado de descomposición incrementará la agregación del suelo y por lo tanto

disminuirá su erodabilidad. La humedad de la tierra aumenta la cohesión entre partículas, lo que se conoce comúnmente como cohesión aparente. La velocidad del viento debe ejercer una fuerza que exceda a estas fuerzas peliculares para producir el movimiento de las partículas. Se dan muy pocos casos en que el viento tenga velocidad suficiente para vencer las fuerzas de cohesión entre las partículas, con lo que se previene la erosión eólica. Otro factor que influye son las características físicas de la superficie terrestre, denominadas rasgos del terreno o topografía. Los rasgos topográficos no sólo influyen en el calentamiento de la tierra y del aire que la rodea sino también en el flujo del aire, estos pueden afectar la atmósfera de dos maneras, térmica y geométricamente. La turbulencia térmica se produce cuando los objetos emiten distintas tasas de calor. Por ejemplo, un área verde no tiene la misma capacidad de absorción que una playa de estacionamiento de asfalto, por tanto liberará más calor. La turbulencia mecánica (geométrica) es causada por el viento que fluye sobre objetos de tamaños y formas diferentes. Los rasgos topográficos se pueden agrupar en cuatros categorías, terreno-plano, montañas-valle, tierra-agua y áreas urbanas. En terrenos planos la característica más relevante es que la turbulencia esta limitada a la cantidad de accidentes superficiales, naturales o hechos por el hombre. Los terrenos que presentan montañas y valles son terrenos complejos, en ellos la turbulencia mecánica y térmica depende del tamaño, la forma y la orientación de estos rasgos. En terrenos donde hay una combinación de tierra y agua no solo se presentan superficies con accidentes de diferentes características, sino que también distintas propiedades de calentamiento. La tierra y los objetos que se encuentran sobre ella se calientan y enfrían rápidamente, no así el agua, que lo hace en forma lenta. Esto crea influjo de retorno llamado brisa marina. En terrenos con áreas urbanas se presentan accidentes adicionales y características térmicas diferentes debido a la presencia de elementos hechos por el hombre. Las áreas urbanas con construcciones densas y edificios altos ejercen una fuerza friccional mayor sobre el viento haciendo que disminuya, cambie de dirección y se haga más turbulento. 3. LA ACTIVIDAD MORFOGENÉTICA DEL VIENTO La actividad morfogenética del viento, es decir su capacidad para alterar el relieve, está influenciada por el flujo de aire turbulento, donde la velocidad es más importante que la frecuencia. La eficacia de la acción eólica se limita a las partículas de menor tamaño que no se mantienen en suspensión durante mucho tiempo, pues las partículas que sí puede mantener en suspensión durante mucho tiempo tienen un escaso poder erosivo. La incorporación de una partícula a una corriente de aire se produce como resultante de tres fuerzas (Fig. 5): - Gravedad debido a la masa del grano (a). - Empuje o tracción, producida por el viento (b). - Succión, producida por descompresión de la masa de aire - en la parte opuesta a la acción del

viento y esta descompresión genera una fuerza con una dirección de 45 grados (c).

Figura 5: incorporación de una partícula a una corriente de aire. Fuente: Jaramillo, I. Miranda, A., 2003.

La actividad morfogenética del viento procede de la energía que produce, y aunque parte de ella se disipa en forma de calor, es suficiente para realizar el accionamiento, transporte y acumulación del suelo. El accionamiento, dependerá de la naturaleza de los suelos expuestos a la ablación. Este término con el que se define el arrastre de material causado por el aire, se puede producir a partir de dos fenómenos la deflación o la abrasión. La deflación consiste en un desplazamiento individual de las partículas, ataca a superficies alteradas y secas actuando hasta que la saturación del viento provoca su bloqueo. Cuando la superficie atacada incluye fragmentos superiores a la competencia del viento se produce una selección que lleva a su concentración en cubiertas pedregosas de gravas y cantos, que protegen el material subyacente. Cuando la superficie atacada presenta fragmentos movilizables se excavan cubetas y depresiones cerradas y amplias, que en medios áridos pueden ser muy grandes. La abrasión eólica es ejercida por vientos muy violentos y cargados de grandes cantidades de material abrasivo. La eficacia de la erosión depende de la densidad y de la velocidad del fluido. Un fluido es más denso cuantos más materiales lleva en suspensión y más eficaz cuanta menos vegetación exista. El transporte de las partículas se lleva a cabo mediante los movimientos de suspensión, saltación y arrastre superficial (Fig. 6). En el primero de estos las partículas de suelo cuyo diámetro sea inferior a 0,05 mm, correspondiente a material fino y polvo, entran en la corriente de aire cuando el suelo es golpeado por partículas que se mueven por saltación, siendo elevadas a varios metros de altura, manteniéndose en el aire debido a las corrientes ascendentes que ejercen mayor fuerza que la gravedad. Las partículas son transportadas más o menos paralelas con la dirección del viento. El movimiento en saltación es causado por la presión del viento contra las partículas del suelo y la colisión de éstas sobre otras partículas, y depende en mayor grado de la distribución de velocidades a la altura que los granos se elevan en saltación y en menor grado de la fuerza con que el viento obra sobre la superficie del terreno. Esta forma de transporte según Richard W. Stephenson, que planteó la utilización del modelo de Bagnol para determinar la velocidad umbral en los relaves, se da principalmente en partículas comprendidas entre 0,05 mm a 0,5 mm de diámetro. El movimiento de arrastre superficial es causado por la energía derivada de granos más pequeños que descienden y golpean en saltación a granos de mayor tamaño, muy pocos avanzan por la presión directa del viento, siendo mucho menor el porcentaje de partículas que se mueven por arrastre superficial, que el de las que avanza por saltación. El transporte superficial o rodamiento se presenta en tamaños comprendidos entre 0,5 mm y 1 mm.

Figura 6: secuencia de erosión eólica. Fuente: Jaramillo, I. Miranda, A., 2003. La movilización de las arenas y los polvos no se produce más que a partir de una velocidad del viento crítica, que depende de la magnitud y la densidad de la carga del fluido. Afecta primero

a las partículas de menor tamaño para ir movilizando, progresivamente, las más grandes. En casos especiales las partículas pueden volar algunos miles de kilómetros para depositarse en regiones lejanas. El espesor del flujo eólico es muy grande por lo que se distinguen, en realidad, dos flujos superpuestos, un flujo superior, más rápido, lineal y que desplaza cargas de pequeño calibre como limos y arcillas, y un flujo inferior, más lento y turbulento, que desplaza una carga de mayor calibre, es decir, arenas. De esta forma, se deduce que se necesita un aumento en la velocidad del viento para transportar partículas de mayor diámetro. En la Figura 7 se presenta en forma aproximada rangos de velocidades de viento requeridas para remover diferentes tipos de partículas de acuerdo al tamaño. El transporte en altura está alimentado por las turbulencias ascendentes que aspiran las partículas superficiales y las mantienen en suspensión. El transporte a ras de suelo resulta de la acción directa del viento, sobre las partículas más pesadas, que no se pueden levantar. Los desplazamientos son cortos y se realizan por saltación o rodamiento, y más raramente por suspensión. Esta forma de transporte es muy lenta, ya que normalmente el viento no sopla con suficiente fuerza.

Partículas Diámetro (mm) Velocidad del viento (m/seg.)

Velocidad del viento (km/hora)

Limo 0,05-0,01 0,1-0,05 0,36-0,18 Arena fina 0,1 1-1,5 3,6-5,4 Arena mediana 0,5 5-6 16,5-21,6 Arena gruesa 1 10-12 36-43,2

Figura 7: relación entre el tamaño de las partículas y la velocidad necesaria para lograr su movimiento. Fuente: Universidad de Atacama, Departamento de Ingeniería de Minas. La velocidad umbral del fluido o velocidad crítica, es la velocidad mínima para la cual se empieza a producir el fenómeno de la saltación o movilización, es decir, el movimiento o levantamiento de las partículas. Bagnold (1941), desarrolló para su cálculo una ecuación matemática, que corregida por humedad, tiene la siguiente forma:

( )[ ] ( )wgdAv s

t log6,08,15,0

+= −ρρρ

(3) Donde: vt : velocidad umbral de fluido, A : coeficiente empírico de turbulencia, que relaciona la rugosidad del material y tipo de fluido

(≈0,1) ρs : densidad de la partícula, ρ : densidad del aire, 0,00122 t/m3 g : aceleración de la gravedad, 9,8 m/s2 d : diámetro medio de la partícula, w : humedad de la partícula en porcentaje Una vez iniciado el movimiento de la arena, se puede mantener con velocidades de viento menores que la velocidad umbral de fluido, ya que, el impacto de partículas en saltación contra aquellas que se hallan en la superficie aportan energía adicional para mantener la saltación; de esta forma aparece la velocidad umbral de impacto definida como la velocidad del viento necesaria para mantener el proceso de saltación.

Tanto la velocidad umbral del fluido como la velocidad umbral de impacto tienen una relación directa con el tamaño de la partícula, en la cual, a mayor diámetro del grano, se requiere mayor velocidad del viento para moverla. Las curvas construidas por Bagnold, correlacionan la velocidad umbral del fluido y la velocidad umbral de impacto en función del tamaño del material (Fig. 8), que aparecen en el gráfico, en el eje de la ordenada como drag velocity, y threshold wind velocity respectivamente, las cuales son necesarias para romper el equilibrio y generar el movimiento de la partícula; relacionando también las velocidades del viento a una pequeña altura sobre la superficie en el momento en que se genera el movimiento de la partícula. De acuerdo al tamaño, y los tipo de formaciones como dunas, loes, etc., se muestran los distintos tipos de movimiento del material por acción del viento. Se observa (Fig. 8), que a medida que aumenta el tamaño de la partícula se requieren velocidades umbrales de fluido e impacto del viento mayores. También se aprecia (Fig. 8) que en las partículas finas de diámetros menores de 0,1 mm, hay ocasiones en que se requiere una velocidad umbral de fluido mayor. La razón de esto último radica en la disminución de la rugosidad superficial por las partículas finas, por tanto existe menor turbulencia en el flujo de aire a nivel superficial; la otra razón es debido a la cohesión que puede haber entre las partículas especialmente en finos de tipo arcilloso siendo más resistentes al movimiento eólico. Posteriormente, cuando el viento cesa o desciende por debajo de la velocidad necesaria para el transporte de la carga, esta se deposita en el suelo generando su acumulación. El material rodante o el de saltación termina alojado en huecos u obstáculos del terreno. El material en suspensión decanta lentamente, es decir las partículas caen por gravedad, primero las más pesadas y luego las más ligeras, estructurando el calibre de los depósitos. La decantación puede acelerarse si el aire es húmedo, ya que el polvo puede absorber agua, particularmente si está compuesto de partículas higrófilas. Si el fenómeno es masivo se producen lluvias de barro.

Figura 8: relación entre tamaño del grano, velocidad umbral del fluido y velocidad umbral impacto. Fuente: Jaramillo, I. Miranda, A., 2003. La deposición producida por el viento está particularmente estructurada, de tal manera que siempre se depositan primero las partículas más pesadas y luego las más ligeras. Además las partículas ligeras vuelven a ser levantadas, de manera que al caer de nuevo, su lugar ha sido

ocupado por partículas más pesadas, lo que provoca una similitud de granulometría en los depósitos eólicos. Pero también es una característica de estos depósitos la estructura cruzada, debido a la variabilidad de las direcciones del viento y a la inclinación de las pendientes.

4. DETERMINACION DEL PERFIL DE VELOCIDAD DEL VIENTO EN TRANQUES DE RELAVE

En los tranques de relave, la erosión eólica corresponde a la pérdida del material producto del arrastre de partículas debido a la acción del viento. A medida que el tranque va creciendo en la etapa de operación, la altura de muro aumenta al igual que la acción del viento sobre éste, llegando un instante en que se generan problemas de enorme importancia que pueden afectar la operación, la estabilidad del muro resistente, y el medio ambiente. La pérdida de material producto de la erosión eólica genera una disminución de la masa que constituye el talud del tranque, que se manifiesta en forma de cárcavas, generando zonas potenciales de falla, afectando la estabilidad del muro del tranque (Fig. 9). La incidencia directa del viento en el talud, provoca que el material en la zona superficial sea removido, dejándolo en estado suelto, y al momento de depositar una nueva capa compactada sobre la capa suelta, es posible la aparición de un plano de falla. A todo esto se suma la disminución de distancia de la revancha entre las lamas y el borde superior del muro, por la pérdida de material, lo que favorece un rebalse de las lamas ante cualquier evento lluvioso o sísmico. También se pueden apreciar otros problemas de relevancia como discontinuidad en el avance de depositación de relaves y por ende de la construcción del muro debido a la reparación de los surcos creados por la acción del viento lo que involucra pérdidas económicas y de tiempo. Otro problema de tipo operacional corresponde al deterioro parcial o total del coronamiento impidiendo el tránsito de vehículos y maquinarias alrededor y por el muro del tranque. Las emisiones de partículas finas de relave pueden viajar grandes distancias afectando áreas adyacentes y zonas pobladas. En estos casos los efectos pueden ser más severos, si se considera que las emisiones de polvo contienen elementos que afectan las vías respiratorias de los seres humanos. El problema de las emisiones de polvo es considerado uno de los impactos ambientales más importante después del abandono o cierre de los tranques de arenas de relave.

Figura 9: erosión eólica en tranque de relave. Fuente: Bialostocki, J.; Salinas, R., 2003. Las fallas estructurales del talud del tranque causan problemas al ambiente, por efectos directos e indirectos. Los directos comprenden la pérdida de vidas humanas y la destrucción de vida animal o vegetal debido al paso de los relaves vertidos. También puede ocasionar impacto a largo plazo en el crecimiento de vegetación y afectar la calidad del agua subterránea en el área. Los efectos indirectos incluyen los impactos socioeconómicos como la pérdida de productividad de la planta de flotación debido a su paralización y los costos de reparación de la falla, además de la pérdida de la tierra afectada para cualquier uso productivo. Este trabajo presenta los resultados obtenidos en el proyecto de investigación FONDEF D00I1101 “Metodología Integrada para rehabilitar rellenos sanitarios y tranques de relave”, realizado entre el año 2001 y 2004 por los autores, en el tranque de arenas de relave Nº 3 de la Planta Manuel Antonio Matta Ruiz perteneciente a ENAMI, ubicada, en la ciudad de Copiapó, en la Tercera Región de Atacama Chile, el que se sitúa en los 27º 24´ 30” de latitud Sur y 70º 14´ 45” de longitud Oeste, a unos 500 m sobre el nivel de mar.

El tranque N°3 inició su operación el año 1987, su muro de arenas de relave posee forma de herradura y cierra en su parte Este con los cerros existentes. Los costados del muro poseen una longitud aproximada de 500 m y su tramo central o cara oeste cuenta con una longitud cercana a los 1.800 m y se encuentra orientado en la dirección N-S. La capacidad volumétrica del embalse, donde se depositan las lamas, es aproximadamente 10 millones de m3, los cuales han sido alcanzados luego de 20 años de vida útil. El ángulo de inclinación del muro fluctúa entre los 30-35º y la revancha establecida no debe ser menor que 2 m. El ancho del coronamiento es de un promedio de 7 m. Según el proyecto, para la granulometría de las arenas se tiene que el 75% se encuentra inserto dentro de las mallas #40 y #200 y el 25 % restante corresponde a la fracción fina que pasa la #200, por lo que se concluye que las arenas de relave presentan un tamaño uniforme. La densidad seca promedio de las arenas del muro es de 1,8 t/m3, la que se logra con la compactación mecánica mediante el paso del bulldozer por el talud y coronamiento. La Región de Atacama cuenta con un clima árido subtropical, de tipo desértico transicional, cuya característica principal es la influencia provocada por la nubosidad alta y baja que además suaviza la conducta térmica. El total de la región se encuentra bajo la influencia del Anticiclón Subtropical del Pacifico sur, por lo que presentan pocos frentes de mal tiempo, quedando la actividad atmosférica totalmente manejada por la acción de la radiación solar, principal agente formador de los movimientos de las masas de aire. Según estudios realizados en Noviembre de 1993 por el Centro de investigación Minera y Metalúrgicas basados en registros históricos, las temperaturas mínimas y máximas en invierno fluctúan entre los 5° C y 20° C, mientras que en verano son del orden de 13º C y 30º C, con temperaturas medias de 20,4° en el mes de Enero y 11,4° C en el mes de Julio. La humedad relativa es alta a primeras horas de la mañana (promedio 87,5% a las 8:00 hrs.) durante prácticamente todos los meses del año, pero disminuye durante las horas de la tarde (51%) y posteriormente vuelve a elevarse (promedio 67,5% a las 20:00 hrs.). La precipitación general no supera los 12 mm/año y la nubosidad media en el área es aproximadamente 60% durante la mañana y no mayor que 10% durante el resto del día. En cuanto al comportamiento histórico del viento, se puede decir que predomina en la dirección oeste, con características de calma durante la mañana para luego ascender en intensidades durante las horas de la tarde. El tranque estudiado es afectado diariamente por el viento, siendo especialmente intenso en los meses estivales. Esto provoca erosión en el muro del tranque, generándose pronunciados surcos, que con el tiempo se transforman en potenciales zonas de falla. Los problemas mayores por erosión eólica en el tranque se comenzaron a manifestar a partir del año 1996, quedando la cara suroeste del muro muy afectada por la fuerza del viento (Fig. 10). Posteriormente se detectó un problema de erosión similar en el sector Noroeste, cuando se alcanzó la altura necesaria para que la velocidad del viento la afectara.

Figura 10: profundidad de los surcos originados por la erosión. Fuente: Bialostocki, J.; Salinas, R., 2003. La investigación consistió en medir intensidades de viento en una zona definida del talud del tranque, incorporando la interacción entre los dos factores más determinantes en la erosión eólica, el viento y el suelo, con el fin de estimar la variación de la velocidad del viento con la

altura a través del modelo teórico comentado antes. Pare ello se implementaron tres parcelas experimentales en el talud (Fig. 11) de 6 m de ancho y 60 m de largo, a las que se asignó el nombre de parcela Nº1 (P1), Nº2 (P2) y Nº3 (P3). Esta última es la que presentaba mayores problemas por el efecto del viento comenzando la erosión en forma progresiva a partir de los 2/3 de altura del talud, agudizándose al llegar al coronamiento. En cada una de las parcelas experimentales se trazó un perfil transversal en el centro y a lo largo de la parcela. En cada perfil (Fig. 11), se ubicaron tres puntos de medición a 3 alturas diferentes, a pie de talud (2,00 m), mitad de talud (9,5 m) y coronamiento del talud (14,00 m). De acuerdo con información obtenida de un estudio anterior realizado por ENAMI, se consideró que el viento de mayor fuerza se producía durante la primavera y verano, por lo que se efectuaron mediciones entre el 6 de enero y el 14 de febrero del año 2003, de lunes a viernes, cuatro veces al día en intervalos de tres horas (09:50, 12:50, 15:50 y 18:50 hrs.), con el fin de identificar los instantes en que el viento alcanzaba mayor intensidad. El equipo utilizado fue el Termo Anemómetro portátil Modelo 451126, que registra velocidad y temperatura del viento, además de cronómetro y banderilla para determinar la dirección del viento.

Figura 11: campo de experimentación. Fuente: Bialostocki, J.; Salinas, R., 2003. La metodología utilizada para realizar las mediciones contempló las siguientes actividades: - Determinar la dirección del viento con una banderilla o manga. - Ubicar el anemómetro en la dirección en que soplaba el viento a una altura de

aproximadamente 2 m sobre la superficie del talud (Fig. 12). - Medir durante 30 segundos a una tasa de muestreo de 3 segundos, - Almacenar los datos de velocidad del viento en el datalogger del anemómetro.

Figura 12: medición de velocidad del viento a mitad del muro del tranque. Fuente: Bialostocki, J.; Salinas, R., 2003. El monitoreo de intensidades tiene el propósito de conformar una base de datos con mediciones diarias que permita, a través de un análisis estadístico, estructurar el perfil de velocidades de viento que afectan al lugar considerado el más desfavorable desde el punto de vista erosivo.

5. OBTENCIÓN DE LOS PERFILES DE VIENTO. Se determinaron los valores de velocidades máximas diarias de todas las mediciones realizadas, se realizó un análisis estadístico con el fin de obtener la desviación estándar y el promedio de las velocidades máximas en las tres alturas definidas. Se eliminaron aquellos valores de velocidades máximas que se alejaban del valor promedio un número mayor a la desviación estándar respectiva. Una vez hecha la selección de velocidades máximas, se obtuvo un nuevo promedio, cuyo resultado corresponde a la velocidad máxima promedio definitiva (Fig. 13). Para determinar el perfil de viento se tomó como modelo el que se propone el la NCh 432 of 71, ecuación (1). Se obtuvieron tres perfiles de viento teóricos en función de las velocidades máximas y las alturas de referencia (Fig. 13) y junto con ello el comportamiento teórico a los datos medidos in situ (Fig. 14). El aumento de la velocidad del viento en la zona del coronamiento se debe a la convergencia de las líneas de flujo causando una mayor erosión en el coronamiento y revancha del tranque.

Coronamiento 2/3 Talud Pie talud Altura (m) 14,00 9,50 2,00 Velocidades máximas promedio (m/s) 11,08 9,34 7,73

Figura 13: velocidades máximas promedio definitivas. Fuente: Bialostocki, J.; Salinas, R., 2003. Utilizando cada valor de velocidad máxima y altura correspondiente se determinó el valor del exponente p a través de la ecuación (2) en cada caso (Fig. 15). Con estos valores, se calculó el promedio del exponente p el cual corresponde a 0,1674, valor que fue comparado con los publicados en la bibliografía, donde se observa gran similitud entre ellos (Fig. 16).

Figura 14: perfil de variación de velocidad real del viento en el tranque con la altura. Fuente: Bialostocki, J.; Salinas, R., 2003.

Vzref (m/s) Zref (m) p 11,08 14,00 0,1631 9,34 9,50 0,1726 7,73 2,00 0,1665

Figura 15: valores del exponente p. Fuente: Bialostocki, J.; Salinas, R., 2003.

p promedio medido in situ en el Tranque de relaves N°3 0,1674 Norma Chilena 432 of 71 (campo abierto y superficie del mar) 0,16 Manual de Marks (velocidades ente 8 - 56 (km/hr)) 0,20

Figura 16: comparación del exponente p in situ y bibliografía. Fuente: Bialostocki, J.; Salinas, R., 2003. 5.1. DETERMINACION DE LA VELOCIDAD UMBRAL DE FLUIDO La determinación de la velocidad umbral de fluido teórica se realizó utilizando el modelo de Bagnold modificado por humedad, ecuación (3), con los siguientes parámetros (Fig. 17).

Parámetros Valores A 0,10 g 980 (cm/s2) ρs 2,68 (gr/cm3) ρ 0,00122 (gr/cm3)w 0,44 %

Figura 17: parámetros considerados para determinar la velocidad umbral teórica de fluido. La arena de relave posee una densidad seca promedio superficial de 1,54 (gr/cm3). Reemplazado estos valores en la ecuación Bagnold modificada por humedad, se obtiene la ecuación (4) que define el comportamiento de tipo potencial entre el tamaño de partícula de relave en cm y la velocidad umbral de fluido, para las arenas de relave que constituyen la zona del talud afectado. (m/s) d 2,3266 0.5∗=y (4) El tamaño de partícula utilizado es de 0,038 cm, que corresponde al D90, determinado a partir de un análisis estadístico de granulometrías tomadas entre mayo de 1993 y febrero del 2002, incluyendo muestras realizadas en enero del 2003. La velocidad umbral de fluido teórica determinada es de 0,45 (m/s) (Fig. 18).

Figura 18: velocidad umbral de fluido en función del diámetros de la arena de relave. Fuente: Bialostocki, J.; Salinas, R., 2003.

5.2. DETERMINACIÓN DE LA VELOCIDAD UMBRAL DE IMPACTO Los datos recogidos en terreno se analizaron aplicando un análisis estadístico basado en medidas de tendencia central y variabilidad, lo que permitió filtrar los datos (Fig. 19). El promedio y la mediana fueron calculados una vez que se eliminaron los valores de velocidad umbral que se alejaban del valor promedio en un número mayor a la desviación estándar respectiva. La velocidad umbral de fluido in situ corresponde a 5,74 (m/s) el cual fue obtenido por mediciones en terreno a una altura de 5,00 cm sobre la superficie.

Desviación estándar 0,53 Promedio de velocidades umbrales (m/s) 5,74 Mediana de velocidades umbrales (m/s) 5,72

Figura 19: medidas de tendencia central y variabilidad de la velocidad umbral de impacto. Fuente: Bialostocki, J.; Salinas, R., 2003. 5.3. DETERMINACIÓN DE LA ALTURA DE EROSIÓN Se verificó la similitud entre las velocidades teóricas entregadas por el modelo de viento y velocidades máximas promedio observadas in situ (Fig. 20) Velocidades medidas in situ (m/s) Velocidades modelo Bagnold (m/s) 5,74 5,1

Figura 20: comparación de velocidades medidas in situ y teórica. Fuente: Bialostocki, J.; Salinas, R., 2003. Se eligió el perfil de viento en el cual la velocidad umbral se presenta a una altura que coincide con la altura en la que se manifiestan los problemas erosivos en el tranque. Los valores utilizados para determinar el perfil de viento de terreno, fueron obtenidos midiendo las velocidades de viento a 2,00 m sobre la superficie del talud, mientras que la velocidad umbral superficial de impacto fue medida en terreno o dada por el modelo de Bagnold modificado por humedad y ajustado por el factor de correlación. Por lo tanto, ambos valores no son comparables de manera directa. Debido a esto se realizó una extrapolación de valores de velocidad umbral de impacto superficial a un perfil de viento a 2,00 m de altura, para lo cual se registraron mediciones de velocidad a 2,00 m de altura, al mismo tiempo en que se produce la erosión superficial. Aplicando el mismo concepto de análisis estadístico con medidas de tendencia central y variabilidad, se filtraron los datos muestreados obteniendo los siguientes resultados (Fig. 21).

Desviación estándar 0,93 Promedio velocidades umbrales a 2,00 m de altura (m/s) 9,10 Mediana velocidades umbrales a 2,00 m de altura (m/s) 9,07

Figura 21: medidas de tendencia central y variabilidad de la velocidad umbral de impacto a 2,00 m de altura. Fuente: Bialostocki, J.; Salinas, R., 2003. Respecto a los valores de velocidades umbrales de impacto y velocidades a los 2,00 m de altura medidos en la zona afectada del talud, se observa que existe similitud entre los valores referidos a cada tipo de velocidad. De los resultados se concluye que cuando en la superficie del talud se produce la velocidad umbral de 5,74 m/s que comienza a causar erosión, en ese mismo instante a una altura de 2,00 m respecto a la superficie se está dando una velocidad del viento de 9,10 m/s. Se debe tener presente que los valores de velocidad umbral de impacto y velocidad correlacionada a 2,00 m de altura junto con los factores de corrección y extrapolación son propios para la realidad del tranque Nº3 de Planta Matta de acuerdo a las condiciones dadas.

Conociendo la velocidad umbral de impacto medida in situ, es posible correlacionar la velocidad umbral de impacto a los 2,00 m, como se explicó anteriormente, la cual se puede ingresar al perfil vertical de viento de la zona de estudio y estimar la altura en que se inician los problemas de erosión. El perfil de viento teórico utilizado es el siguiente, donde V es la velocidad respecto de la altura Z. V = 9,34*(Z/9,50) 0.1674 (m/s) (5) Al observar los datos (Fig. 22), se aprecia que la variación porcentual de la velocidad medida a 9,5 m de altura es 0 %, lo que se debe a que en esta altura se presenta la velocidad real que es utilizada como referencia en la ecuación para construir el perfil. Además se ve que el resto de las variaciones se encuentran dentro de un rango aceptable tomando en cuenta que el viento es una variable compleja y cambiante en el tiempo y espacio.

Ubicación Altura (m)

Velocidad real (m/s)

Velocidad teórica (m/s)

Variación porcentual

Pie Talud 2 7,73 7,19 6,99 % 2/3 Talud 9,5 9,34 9,34 0 % Coronamiento 14 11,08 9,95 10,2 %

Figura 22: velocidades reales y velocidades teóricas entregadas por el perfil de viento seleccionado. Fuente: Bialostocki, J.; Salinas, R., 2003.

Figura 23: perfil seleccionado velocidad - altura para el tranque Nº3 de Planta M.A.Matta. Fuente: Bialostocki, J.; Salinas, R., 2003. Al evaluar la velocidad umbral de impacto medido a 2,00 m sobre la superficie (9,10 m/s) en la ecuación (5), se obtuvo que la altura a la que se produce esa velocidad es de 8,05 m. Para obtener la altura directa sobre la superficie del tranque, se le restó los 2,00 m correspondientes a la altura en que se midió, con lo que quedó una altura definitiva de 6,05 m que es realmente donde se está produciendo la velocidad umbral. Este último dato corresponde a la altura en que se comenzarían a producir problemas de erosión en base a la generación de surcos; según lo observado topográficamente en la zona de estudio, las cárcavas se comienzan a producir a los 7 m de altura aproximadamente. Si se compara el valor estimativo obtenido a través de esta investigación experimental con el valor real, se puede constatar que existe una buena aproximación y sólo hay una variación en la estimación de la altura de un 13,57 % (Fig. 23). Se puede hacer referencia a que a los 6,05 m se produce velocidad umbral, pero el efecto erosivo del viento se debe dar con una velocidad mayor, la que se producirá a mayor altura en el talud.

6. ESTABILIZACIÓN DE TRANQUES DE RELAVES Una vez terminado el diagnóstico, se debe buscar soluciones para minimizar los impactos detectados, tanto en taludes como en la cubeta, ya sea en la etapa de diseño, operación, o abandono. Debido a las características del fenómeno de la erosión, es difícil entregar una solución que sea aplicable a todos los casos que se presenten, por lo que su determinación debe incluir factores que proporcionen beneficios a la empresa y la comunidad en los aspectos técnicos, ambientales y económicos. Los diferentes métodos utilizados en la práctica a nivel mundial, para minimizar los efectos de la erosión eólica en los taludes de tranques de relave, corresponden a los utilizados para evitar la erosión en taludes naturales. La estabilización de taludes es el proceso mediante el cual se mejora el suelo, permitiendo una modificación en las propiedades del material. De acuerdo a lo comentado anteriormente, la resistencia es una de las propiedades que está directamente relacionada con la erosión eólica, se puede decir que aumentando la cohesión se eleva la resistencia al corte de las partículas y disminuye la posibilidad de ser erosionadas por la gravedad, empuje y succión que produce el viento. En cuanto a la durabilidad, esta se refiere a la resistencia en el tiempo, clima, erosión y abrasión que debe tener el suelo. Sobre estas propiedades se debe colocar énfasis al momento de elegir una solución estabilizadora. Otro factor determinante en la elección del tipo de estabilización depende de la etapa en que se encuentre el proyecto, específicamente si el tranque de relave se encuentra en operación o abandono. La estabilización a corto plazo es aplicable durante la operación del tranque de arenas de relaves y se requiere estabilizar la superficie sin afectar la unión con la siguiente capa de arena de relave que se disponga. La estabilización a largo plazo debe prevenir la contaminación ambiental, y en el mejor de los casos, destinar el área impactada a usos productivos. Por ende, lograr la estabilización contra la erosión a largo plazo, se transforma en una tarea difícil, obligando a las empresas a considerar medidas que presenten una adecuada solución a un menor costo. Es posible efectuar la estabilización mediante el empleo de elementos químicos (emulsiones asfálticas, cemento, cloruro de sodio, cloruro de magnesio y otros), medios mecánicos (enrocados, barreras mecánicas para protección de taludes, capas de suelo compactado, entre otros), o también por medio de cubiertas vegetales (estabilización vegetativa, con especies arbóreas, arbustivas y/o herbáceas). Entre las propiedades que se buscan mejorar con la estabilización de suelo generalmente está la cohesión, la resistencia al corte, y la impermeabilidad. Los agentes para la estabilización química utilizados en el control a corto plazo de la erosión de relaves incluyen entre las principales: el cloruro de sodio y los materiales bituminosos, especialmente los asfaltos líquidos, específicamente aquellos que utilizan agua como emulsificador, y polímeros elastoméricos. La estabilización se puede realizar con productos del tipo “matapolvos”, de manera que se pueda formar una costra superficial que permita evitar el arrastre de las partículas por efecto del viento. Es recomendable considerar el empleo de estabilizadores en forma de emulsión, de los que se aplican diluidos en agua. Se debe tender al uso de un matapolvo que sea ecológicamente seguro, es decir, que no sea tóxico, ni corrosivo, no contamine las aguas subterráneas, no afecte a la vegetación y no incremente la alcalinidad o acidez del suelo. Los estabilizadores en forma de emulsión se han estado utilizando en faenas mineras y tranques de diferentes países y se conocen experiencias de estabilización de relaves en Cleveland, Ohio en los Estados Unidos, en Ontario, Canadá, y en la mina Yauliyacu en Perú. En Chile, se han desarrollando experiencias similares en tranques de relaves, como por ejemplo en la Cía. Minera Las Cenizas, ubicado en la ciudad de Cabildo en la V Región y el tranque abandonado de Ojancos ubicado en Copiapó. En general, la estabilización química no puede ser considerada una medida de estabilización permanente. Morrison y Simmons (1977), describen el uso de una emulsión de resina de petróleo para minimizar el polvo levantado por el viento

desde áreas expuestas de tranques de relaves en operación. También, se puede emplear estabilización química para ayudar en el establecimiento de la estabilización vegetativa, cuando los almácigos o plantones son más propensos a ser erosionados por chorros de arena o a ser enterrados por relaves llevados por el viento (Dean y Havens, 1970). La estabilización mecánica consiste en la colocación de una estructura que protege el suelo y desvía el viento fuera del tranque. En esta categoría se encuentran las barreras mecánicas, los enrocados y las cubiertas de suelo, que proporcionan una solución de estabilización de largo plazo. Otro sistema estabilizador son las cortinas corta viento, estas consisten en la colocación de paredes físicas, las cuales pueden ser naturales o simplemente paneles prefabricados con el fin de atenuar los efectos directos del viento, evitando el empuje o tracción, producida por el flujo de aire. Existen diferentes formas de barreras, entre las que se encuentran los paneles prefabricados y las cortinas naturales, específicamente cortinas forestales. En los últimos 30 años, se han desarrollado nuevos productos geosintéticos de gran aplicación en el sector de la ingeniería geotécnica. Su utilización en el control de erosión en taludes se basa en sus cualidades para retener suelos y separar materiales diferentes. Entre los materiales geosintéticos destinados al control de la erosión se encuentran geomallas, geoceldas y geotextiles, entre otros, que pueden ser utilizados en soluciones de corto y largo plazo. La instalación de una cubierta vegetal es una opción de estabilización que también se ha aplicado en depósitos de relaves. Si se puede establecer una cubierta vegetativa que se perpetúe por sí sola, no sólo se puede minimizar la erosión por agua y viento, sino también se puede hacer que el depósito se reinserte de mejor manera a su entorno. En climas favorables la vegetación puede demandar poco esfuerzo, incluso puede ocurrir por procesos sucesionales naturales, en un periodo de tiempo mediano a largo. Sin embargo, en climas áridos o para relaves que tienen bajo pH, o altas concentraciones de metales pesados o sales, el establecimiento de vegetación puede ser un proceso largo, difícil y costoso. De acuerdo a la experiencia recogida durante el desarrollo de este proyecto, se recomienda la introducción de especies del tipo rastreras, arbustivas y arbóreas, que se puedan adaptar y desarrollar de acuerdo a las condiciones climáticas y del sustrato del tranque. Esta alternativa requiere un tiempo mínimo para que la cubierta vegetal pueda adaptarse en forma completa, necesitando inicialmente un período de prueba experimental y luego uno de adaptación y crecimiento. Se recomienda que al pie del talud se coloque una plantación de árboles y arbustos que luego de su crecimiento sirvan de barrera natural para minimizar la fuerza del viento sobre el talud. El proyecto de investigación FONDEF D00I1101 planteó entre sus objetivos, mejorar las condiciones de resistencia a la erosión eólica en tranques de relave, principalmente a través de introducción de vegetación o estabilizadores de suelos. Los trabajos realizados para la consecución del objetivo antes mencionado incluyeron experimentación con estabilizadores de tipo mecánico e implantación de vegetación, en zonas de tranques de relave en operación y abandono, de la Planta M.A. Matta de ENAMI Copiapó (Fig. 24). Se debe recordar que el viento presenta mayor intensidad a partir de la primavera, con una componente noroeste-sureste, afectando el talud suroeste del tranque Nº 3. Por tanto, las soluciones temporales deben ser implementadas a partir de septiembre y mantenerse hasta fines de abril, para lograr mitigar los efectos de la erosión eólica. La experimentación con estabilización mecánica, se efectúo en zonas del coronamiento y el talud del tranque Nº 3, actualmente en operación, donde la erosión se ha manifestado con mayor intensidad. En el período estival, se ha instalado en estas zonas una capa de suelo de empréstito, la cual fue extendida y compactada con buldózer. El objetivo principal de esta capa es cubrir los relaves y proveer una superficie con mayor resistencia a la erosión eólica, que minimiza los efectos erosivos del viento en el talud y el coronamiento. Los suelos utilizados para tales efectos, se obtuvieron desde 2 bancos situados en los terrenos de la propia Planta y se utilizaron para cubrir el talud y la corona del tranque N°3. El primer empréstito corresponde a un suelo del tipo CL según la clasificación USCS, el segundo empréstito corresponde a un suelo

del tipo SM según la clasificación USCS. Estos dos suelos fueron compactados con buldózer en una capa de 20 cm a un 95% del Proctor Normal.

Figura 24: experimentación con estabilizadores de tipo mecánico e implantación de vegetación, en Planta M.A.Matta. Fuente: Elaboración propia a partir de Google Earth, 2006. Como alternativa de estabilización mecánica se planteó la implementación de barreras corta viento, compuestas por bastidores de madera o metálicos, revestidas con mallas sintéticas. Se consideró la ubicación de las barreras a lo largo de toda la zona afectada por la erosión eólica del Tranque. Las estructuras se diseñaron con una constitución que les permita readecuar su ubicación fácilmente, y soportar el empuje del viento. En una primera fase las barreras se disponen en hileras paralelas al pie del talud, avanzando desde el pie hacia el coronamiento del muro. Si los resultados observados en terreno no son los esperados en cuanto a evitar la erosión eólica, la distancia de separación entre las hileras puede disminuirse incorporando una nueva hilera de defensas. La principal función de las defensas mecánicas es minimizar la erosión eólica durante la etapa de operación del tranque, ya que para la etapa posterior al cierre se debe tratar de adoptar un sistema de protección más duradero. La experimentación mediante implantación de vegetación, se efectúo en zonas del coronamiento y el talud del tranque Nº 1, actualmente cerrado. Las especies vegetales que se instalaron fueron del tipo rastreras en talud, del tipo arbustivas en talud y coronamiento, y del tipo arbóreas sólo en el coronamiento, en forma de cortina corta viento. Se debe destacar que junto a esto se implementó una parcela patrón con todas las especies, para ver su desarrollo libre de las condiciones adversas que impone el tranque de relave. El objetivo de la habilitación de esta capa de vegetación es reducir la incidencia de la erosión en el tranque de relave. Entre los criterios considerados para la selección de las especies vegetales a implantar se encuentran los requerimientos climáticos, la flora nativa, finalidad de la recuperación del área restaurada, utilidad adicional a su efecto restaurador, antecedentes de reforestación en áreas contaminadas y resistencia a condiciones limitantes. Entre las especies plantadas en el talud del tranque se encuentran Galenia (Galenia secunda), Doca (Carpobrotus sp.) y Atriplex (Atriplex numularia)

(Fig. 25), mientras que en el coronamiento Casuarina equisetifolia, Robinia pseudoacacia y Casuarina cunninghaminana (Fig. 26).

Figura 25: implantación vegetal en el talud del tranque de relave. Fuente: Pontificia Universidad Católica de Valparaíso, 2004.

Figura 26: implantación vegetal en el coronamiento del tranque de relave. Fuente: Pontificia Universidad Católica de Valparaíso, 2004. 7. CONCLUSIONES El desarrollo de esta investigación ha permitido incrementar el conocimiento respecto de los efectos de la erosión eólica en los tranques de arenas de relave, evidenciándose la importancia de considerar este factor en la fase de diseño, operación y abandono de un tranque de relave. Se logró definir una propuesta metodológica para evaluar y diagnosticar la erosión eólica en la fase de diseño, operación y abandono de los tranques de relave y su posible tratamiento a través de introducción de vegetación o estabilizadores de suelos. La aplicación de esta metodología en el tranque Nº 3 de la Planta M.A. Matta de Copiapó, permitió conocer la velocidad del viento y determinar la altura en que se inicia la erosión del muro de arenas de relave. La determinación de la velocidad del viento a diferentes alturas, permite estimar la altura a la cual el viento comienza a erosionar en forma significativa el talud del tranque. La implementación de estabilizadores de tipo mecánico en el tranque en operación y de vegetación en un tranque abandonado, permitieron minimizar los efectos de la erosión eólica. Las especies vegetales en general se adaptaron a las condiciones del tranque de relave, logrando una gran cobertura, sobre todo en el talud mediante la implantación de especies rastreras, las especies arbustivas y arbóreas también lograron un desarrollo importante. Se debe destacar que en el área experimental se inició el desarrollo de un nuevo ecosistema, en el que se puede observar insectos, aves y animales, así como la aparición de especies principalmente herbáceas de generación espontánea. Se recomienda que la implementación de medidas para el control de la erosión eólica sobre el tranque de relave, sean realizadas en forma secuencial y complementaria, tomando en cuenta que se requiere mantener el efecto mitigador durante todo el tiempo que se genere el impacto erosivo sobre el tranque. De acuerdo a lo comentado, las medidas a implementar dependerán de la etapa de desarrollo en que se encuentre el tranque, ya sea en operación o abandono. En el

caso de encontrarse en operación, se requerirá implementar sistemas temporales fácilmente removibles, de manera que al volver a realizar vertidos de relaves sobre el talud, no se generen planos de falla y se logre la unión entre el material antiguo y el nuevo, sin afectar las condiciones de estabilidad del Tranque. De manera general, es conveniente considerar al inicio de la etapa de operación de un tranque de relave la implantación de especies vegetales arbóreas a pie de talud, que puedan actuar como barreras cortavientos en la etapa posterior al cierre y que requieren de un plazo prolongado para su desarrollo. La selección de especies vegetales a implantar de manera permanente sobre el tranque de relave, debe considerar diversos factores propios del lugar, así como también de los proyectos asociados que se tengan de esta inversión. La metodología utilizadas para determinar perfiles de viento y velocidades umbrales permitirá mejorar el diseño, operación y abandono de tranques de arenas de relave que considera el efecto del viento como agente erosivo que afecta principalmente la estabilidad de ellos. La aplicación de esta metodología permitió definir algunas mejoras que se le podrían implementar con el objetivo de minimizar la ocurrencia de imprecisiones en las mediciones como contar con un sistema de monitoreo continuo que entregue registros durante las 24 horas del día, utilizar a lo menos tres anemómetros (pie, mitad y coronamiento del talud), registrar de forma continua y en los mismos lapsos de tiempo entre punto y punto. Un aspecto que se debe estudiar y que fue evidenciado durante el desarrollo de esta investigación, es la relación existente entre el valor de densidad seca de las arenas de relave a nivel superficial y la erosión eólica, la que se presenta como una alternativa que puede traer buenos resultados respecto de la razón costo/beneficio. Esta consiste en variar la energía de compactación, buscándose comprobar que el aumento de la densidad seca es una variable que permite disminuir o retardar el efecto erosivo del viento en el talud. AGRADECIMIENTOS Los autores manifiestan su agradecimiento a la Comisión Nacional de Investigación Científica y Tecnológica (CONICYT) y a la Empresa Nacional de Minería, por el financiamiento y la colaboración prestada a las investigaciones realizadas en el proyecto FONDEF D00I1101 “Metodología Integrada para Rehabilitar Rellenos Sanitarios y Tranques de Relave”. También desean expresar su reconocimiento a la Dirección de Investigación de la Pontificia Universidad Católica de Valparaíso. TRABAJOS CITADOS EN EL TEXTO BAGNOLD, R.A., 1941. The physics of wind blown and desert dunes Methuen & Co Ltd, London. BIALOSTOCKI, J.; SALINAS, R., 2003. Metodología para incorporar la erosión eólica en taludes de tranques de arenas de relaves. Tesis de título para optar al grado de Ingeniero Constructor, Pontificia Universidad Católica de Valparaíso-Chile. BRADSHAW, A.D.; CHADWICK, M.J., 1980. The Restoration of Land. Blackwell Scientific Pub. CHANDLER, DAVID SAXTON, KEITH, 1999. Desarrollo en los modelos de medición de la erosión eólica. Purdue University, USA. CHEPIL, W., WOODRUFF, N., SIDDOWAY, F., FRYREAR, D., AND ARMBURST, D., 1963. Vegetative and Nonvegetative Materials to Control Wind and Water Erosion, Proc. Soil Science of Am. DEAN, K., HAVENS, R., AND GLANTZ, M., 1970. Methods and Costs for Stabilizing Fine-Sized; Mineral Wastes, RI 7896, U.S. Bureau of Mines. INSTITUTO NACIONAL DE NORMALIZACIÓN; Cálculo de la acción del viento sobre las Construcciones.Norma Chilena NCh 432 Of.71. 1971 JARA CAVIERES, RODRIGO, 2000. Análisis del Comportamiento del Viento en el sector de Paipote. Eviroment LTDA., Chile.

JARAMILLO, I. MIRANDA, A., 2003. Metodología y aplicaciones para minimizar los efectos de la erosión eólica en tranques de arenas de relaves. Tesis de título para optar al grado de Ingeniero Constructor, Pontificia Universidad Católica de Valparaíso-Chile. JUSTUS y MIKHAIL, 1976. Height variation of wind speed and wind distributions statistics, Geophysical Research Letters, Volume 3, Issue 5, p. 261-264. http://adsabs.harvard.edu/cgi-bin/nph-bib_query?1976GeoRL...3..261J&db_key=PHY&nocookieset=1 MINISTERIO DE ENERGÍA Y MINAS DIRECCIÓN GENERAL DE ASUNTOS AMBIENTALES, 1997. Guía ambiental para el manejo de relaves mineros Perú. PONTIFICIA UNIVERSIDAD CATÓLICA DE VALPARAÍSO, 2004. Proyecto FONDEF D00I1101 “Metodología Integrada para rehabilitar rellenos sanitarios y tranques de relave”, http://icc.ucv.cl/fondef/fondefescuela/fondef.htm RIPLEY, E. A.; REDMAN, R .E.; MAXWELL, J., 1978. Environmental impact of mining in Canada. Centre for Resource Studies, Queen’s University, Kingston. STEPHENSON, RICHARD, 2002. Erosión eólica en tranques de relaves de plomo. Stephenson Richard, http://web.umr.edu/~stephens/Personal/resume%20full.htm. UNIVERSIDAD DE ATACAMA, Departamento de Ingeniería de Minas, 2006. http://plata.uda.cl/minas/apuntes/Geologia/geologiageneral/ggcap05g.htm#eólico YUPARI, A, 2003. Informe “Pasivos ambientales mineros en Sudamérica” informe elaborado para la CEPAL, el Instituto Federal de Geociencias y Recursos Naturales, BGR, y el Servicio Nacional de Geología y Minería, SERNAGEOMIN, noviembre, Chile.