Aplicaciones de los drones a la prospección y explotación de recursos minerales

Las actividades extractivas de los minerales y de los hidrocarburos que se encuentran en el subsuelo requieren una serie de trabajos, primero, de prospección para localizar los yacimientos y, posteriormente, de exploración y de investigación, para conocer la morfología de éstos y las características o propiedades de los mismos. En una fase posterior se llevará a cabo la explotación o extracción de los minerales aprovechables para su posterior transformación hasta conseguir productos vendibles.

En este artículo, dado a conocer en el ‘Congreso sobre las aplicaciones de los Drones a la Ingeniería Civil’ organizado por la Consejería de Economía y Hacienda de la Comunidad de Madrid, a través de la Dirección General de Industria, Energía y Minas y la Fundación de la Energía de la Comunidad de Madrid (Fenercom), se describen someramente las aplicaciones que tienen actualmente las aeronaves no tripuladas o UAV (Unmanned Air Vehicles) al sector de la minería, en sus diferentes fases de desarrollo.

En términos generales, la prospección geofísica aérea presenta las siguientes ventajas de utilización:

• Son métodos geofísicos no intrusivos que no provocan impactos o daños medioambientales.
• Una gran multitud de tipos de datos pueden ser recopilados de una manera rápida y de forma económica.
• Es posible cubrir grandes áreas, reduciéndose significativamente los costes de prospección de grandes superficies.
• No son necesarios los accesos terrestres ni los permisos de ocupación.
• No se precisa la apertura de pocillos o calicatas en el campo y, consecuentemente, los permisos o licencias correspondientes.
• Los datos pueden ser recopilados de áreas remotas, accidentadas y con cobertura vegetal densa.

Por otro lado, las ventajas que ofrecen los UAV al sector que se dedica al aprovechamiento de los recursos minerales se pueden resumir, de acuerdo con Barnard, en las siguientes:

• Los UAV pueden permanecer en vuelo hasta 30 horas. Este tiempo excede con mucho a la duración de los vuelos de las aeronaves tripuladas, ya que los tiempos que se consideran razonables para que los pilotos mantengan la concentración rondan las cinco horas.
• Los UAV pueden sobrevolar regiones hostiles, en las que existe un riesgo real para la vida de los pilotos:

1. En las zonas próximas a condiciones meteorológicas adversas.
2. En las zonas con fuertes influencia humana (conflictos bélicos, contaminación, superpoblación y en general riesgo antrópico).
3. En zonas con riesgos naturales o zonas catastróficas.

• Los UAV siempre vuelan con instrumentación, usando sistemas de navegación avanzada, tales como GPS y un altímetro basado en escaneado láser, en combinación con un control por ordenador, pudiendo:

1. Efectuar un escaneado preciso de una región.
2. Volar de noche, teniendo la ventaja de sufrir menos interferencias con las actividades diurnas y el ruido habitual (tales como señales de radio, señales de telefonía móvil, etc.).
3. Volar de noche y a cotas muy bajas (como por ejemplo a unos 20 metros sobre la superficie del terreno) para mejorar la resolución de los datos.

• Los UAV tienen un tamaño significativamente menor que las aeronaves tripuladas, por lo que las interferencias sobre los parámetros de la corteza terrestre que pretenden ser medidos serán menores, tales como los campos magnéticos o gravitacionales.
• El coste de los estudios realizados con UAV por kilómetro de alineación sobrevolada es menor, ya que:

1. El UAV con una capacidad de carga típica de 9 kg es mucho más barato que una aeronave tripulada (avioneta o helicóptero).
2. Los UAV tienen costes de operación inferiores:

- Un operador de UAV puede controlar varios de estos equipos al mismo tiempo.

- Un UAV consume una cantidad de combustible menor al 20% de la que consume un aeronave convencional (dependiendo de la carga transportada).

- Un pequeño UAV puede tomar tierra en una superficie plana de dimensiones más reducidas que la que precisa una aeronave convencional.

Como consecuencia de los menores costes de operación, un UAV puede sobrevolar varias veces una zona a prospectar de manera que se obtenga un gran volumen de datos, o bien la variación de los mismos con el tiempo, o incluso obtener con aplicaciones informáticas avanzadas modelos tridimensionales de los campos magnéticos y gravitacionales provocados por los yacimientos minerales que pudieran existir en el subsuelo.

• Los UAV son ambientalmente más sostenibles, ya que:

1. Requieren menos materiales para su fabricación.
2. Consumen menos combustible por cada km sobrevolado.
3. Provoca menos contaminación por cada km volado.
4. Genera menos ruido en vuelo.
5. Es más fácil su reutilización al final de su vida útil.

Las actividades extractivas tienen, en general, tres etapas, que podrían denominarse genéricamente de riesgo como la prospección y exploración y de negocio donde encontramos la fase de explotación. La prospección comprende la búsqueda del yacimiento, la exploración es su descubrimiento, la determinación de la cantidad y calidad de los minerales que alberga, y el estudio de viabilidad de la explotación. Se denomina de riesgo por el dinero y el tiempo invertido por la empresa que nadie garantiza que pueda ser recuperado. Solamente si el estudio de viabilidad es positivo se lleva a cabo el proyecto, pasando así a la etapa de producción, también denominada de negocio minero o explotación.

La prospección, como se ha dicho, consiste en la búsqueda de yacimientos, pudiendo hacerse con diferentes técnicas: recopilación de antecedentes históricos, fotografías aéreas e imágenes de satélites, prospección geológica mediante trabajos de campo, observaciones directas y toma de muestras, análisis y ensayos de laboratorio, prospección geoquímica, detección de anomalías geoquímicas, prospección geofísica, magnetometría, gravimetría, radiometría, etc.

3. Desarrollo de un proyecto minero.

Una vez descubierto un cuerpo mineral, es necesario delimitar su forma y determinar su tamaño y la calidad de los minerales que lo componen. Para estos fines se lleva a cabo la exploración o investigación, cuyo objetivo es evaluar cualitativa y cuantitativamente los recursos geológicos para definir la viabilidad técnico-económica de la explotación de un yacimiento.

Esta etapa se puede llevar a cabo desde la superficie mediante la realización de calicatas o pocillos y mediante labores subterráneas mediante pozos profundos y galerías de reconocimiento que buscan definir el cuerpo mineralizado en sus tres dimensiones, además de obtener muestras para conocer las calidades de los diferentes minerales. Muchas de esas labores se sustituyen por sondeos, tanto si son con recuperación de testigos, como si se realizan con circulación inversa y recuperación de detritus.

Con toda la información obtenida se modelizará el yacimiento y se evaluarán las reservas geológicas, para a continuación proceder al diseño geométrico de la explotación, tanto si es subterránea como a cielo abierto.

Volviendo a la etapa de prospección, la Geofísica es una rama de la Física Aplicada que se ocupa del estudio de las estructuras ocultas del interior de la Tierra y de la localización en esta de cuerpos delimitados por el contraste de alguna de sus propiedades físicas con las del medio circundante, por medio de observaciones realizadas en la superficie de la Tierra.

Los estudios suelen basarse en la medición de los efectos producidos por distintos campos físicos, tales como los gravitacionales, magnéticos, sísmicos, electromagnéticos u otros.

Los contrastes o anomalías de las propiedades físicas del terreno bajo estudio son la clave para lograr la información requerida, y a diferencia de otras ciencias, la geofísica suele usar métodos no invasivos para obtener sus datos, pudiendo ser aéreos, terrestres, satelitales y marinos.

En la Tabla 1 se reflejan las posibles áreas de aplicación de las principales técnicas geofísicas, tanto aéreas como terrestres, a diferentes tipos de yacimientos de minerales, diferenciando entre la prospección directa de los yacimientos y la prospección geológico-regional y estructural.

Si bien existen muchas técnicas geofísicas posibles de aplicar, cada una de ellas, normalmente, tiene ciertas aplicaciones para las cuales fueron especialmente desarrolladas y en donde se obtienen los mejores resultados.

El éxito de una campaña geofísica dependerá en gran medida de la técnica seleccionada para la aplicación, la metodología empleada en y la interpretación de los resultados.

Con respecto a este último punto, cabe destacar que los fenómenos geofísicos tienen una base teórica que suele involucrar desarrollos matemáticos relativamente complejos, y que en general presentan muchas soluciones posibles; este hecho hace que las interpretaciones basadas exclusivamente en modelizaciones elaboradas por programas informáticos presenten a veces importantes errores conceptuales y a menudo no tengan relación alguna con la geología del terreno investigado (la mejor solución matemática no siempre es la que representa mejor la realidad).

Además de la experiencia del personal que intervenga en los trabajos de prospección se debe contar con algoritmos de interpretación y la interacción de dichos expertos geofísicos con los programas de interpretación automática. La forma más eficiente de minimizar errores en la interpretación es la utilización de más de una técnica geofisica.

A continuación se describen someramente algunas de las técnicas geofísicas que se suelen utilizar durante la prospección de yacimientos:

• Magnetometría aérea

El campo magnético de la tierra puede ser alterado por la presencia de materiales magnetizables que se encuentren en las cercanías de la superficie del subsuelo, destacándose la magnetita, que normalmente está asociada a yacimientos de hierro.

Las medidas del campo magnético es el método geofísico más empleado y el más económico. Estas prospecciones se pueden realizar en forma terrestre o aérea.

Sin embargo, dicho campo también se ve afectado por otros factores como las mareas lunares y solares, tormentas solares y fenómenos de tipo meteorológico.

Por ello, junto con las mediciones de campo se requiere de la medición simultánea del campo magnético en un punto fijo denominado estación base, que registrará las variaciones del magnetismo terrestre mientras se efectúen los trabajos.

Después de efectuar estas compensaciones, se obtendrá un mapa magnético del sector cuyas variaciones o anomalías representarán las zonas de interés.

La medida de los campos magnéticos son efectuadas con diferentes tipos de magnetómetros: magnetómetros con saturación de núcleo (magnetómetro Fluxgate), magnetómetros Protón, magnetómetros de célula de absorción.

• Gravimetría aérea

El método gravimétrico consiste en la realización de medidas de alta precisión de los cambios de los valores de la gravedad, que son motivadas por las diferencias de la densidad de los materiales de la corteza terrestre. En la Figura 6 se representa el principio de las medidas gravimétricas.

Las diferencias de densidad pueden ser empleadas para la localización de las rocas siguientes:

• Rocas sólidas o duras y rocas sueltas o blandas.
• Rocas ácidas, básicas y ultrabásicas.
• Rocas densas y porosas.
• Rocas anhidras y saturadas.
• Minerales, etc.

En proyectos de ingeniería minera y medioambientales, suelen tener un amplio campo de aplicación, en dentro de los cuales destacan:

• Cartografía de cavidades cársticas bajo la superficie.
• Cartografía de basamentos rocosos.
• Cartografía de regiones con potencial de amplificación de tensiones (por ejemplo, irregularidades en zonas de fallas).
• Cartografía de regiones con potencial de debilidad (por ejemplo, paleo-grietas, fallas, etc.).
• Cartografía de rellenos.
• Determinación de la densidad (saturación de agua, porosidad) de las características topográficas.

Estas investigaciones solo son posibles cuando las variaciones de la masa (densidad) y los volúmenes de anomalías son lo suficientemente grandes como para producir la medición de campos anómalos. Sin embargo, las variaciones de la densidad en las zonas de interés tienden a ser menores y confinadas a volúmenes limitados, por lo que las anomalías gravitacionales resultantes son pequeños comparadas con los componentes externos (ruidos) producidos por fuentes no geológicas.

• Electromagnetismo

Entre los métodos electromangeticos más utilizados de forma aerotransportados tenemos el método de las dos bobinas en el que se genera un campo electromagnético (EM) primario que induce la zona de estudio.

En el caso de hallarse en el subsuelo un cuerpo con buena conductividad, se producirá un campo EM secundario, que será registrado en la bobina receptora.

Los equipos que se emplean requieren una fuente de energía capaz de generar pulsos de corriente de 4 milisegundos con unas intensidades de hasta 1.000 Amperios. Esto supone que los sistemas actuales tengan un peso, por ejemplo para una bobina de 24 m de diámetro de 250 a 350 kg.

• Radiometría aérea

Con esta técnica se registran los rayos Gamma procedentes de la semidesintegración de elementos radioactivos incluidos en las formaciones geológicas como son el uranio, el torio y el potasio.

• Aplicaciones topográficas

Los requerimientos de información topográfica en las distintas fases de ingeniería -fases conceptuales básicas y constructivas- de los proyectos mineros, tienen soluciones variadas que incluyen vuelos LIDAR, aerofotogrametría y levantamientos topográficos de detalle.

La mejor solución para esta importante necesidad, se ha comprobado que es la obtención de imágenes digitales y puntos coordenados en la superficie con LIDAR y fotografías digitales simultáneas con una densidad ajustada a las necesidades del proyecto.

La gran precisión lograda con esta metodología permite el uso de los datos en las diferentes fases de los proyectos de ingeniería, tanto en la de ingeniería básica como en la de detalle, mientras que la flexibilidad de los formatos y sistemas coordenados permiten su uso bajo diferentes plataformas de desarrollo y explotación.

Las aplicaciones de la topografía se extienden a casi todos los ámbitos de la ingeniería, y de ahí la importancia de contar con una información de alta calidad.

En el caso concreto de la minería a cielo abierto, las principales aplicaciones se pueden resumir en: planificación y seguimiento de los trabajos de excavación y vertido de estériles en escombreras, control de los volúmenes de agua embalsados en las presas de residuos, afección a los terrenos próximos por deslizamientos de taludes o hundimientos superficiales provocados por minas subterráneas, cubicación de acopios de productos vendibles, etc.

El levantamiento láser se efectúa mediante el sistema láser aerotransportado LIDAR (Light Detection and Ranging), que consiste en usar un par transmisor-receptor de pulsos láser para hacer un barrido de la superficie del terreno y así registrar la topografía del área bajo estudio. También es posible obtener en forma simultánea fotos digitales y geo-referenciadas, llamadas ortofotos, mediante una cámara fotográfica digital de alta resolución acoplada al sistema.

El LIDAR se monta en un avión especialmente acondicionado, cuya trayectoria estará vinculada con una red de estaciones terrestres dotadas con GPS de alta precisión ubicadas en puntos de coordenadas conocidas.

La alta densidad de puntos que se pueden medir con este sistema, junto a la elevada resolución que se puede alcanzar, lo convierten en una poderosa herramienta para los estudios de ingeniería básica y de detalle en los proyectos mineros.

A diferencia de los métodos convencionales, la información obtenida no depende de fotografías, y por ello no se ve afectada por pendientes abruptas o muy suaves, contrastes de luz y sombra, etc. El procesamiento de la información permite generar planos a distintas escalas, georeferenciación en distintos sistemas coordenados, planimetrías, curvas de nivel, modelos de datos (MTD), delineación de estructuras y construcciones, etc.

Las principales ventajas de esta tecnología frente a los métodos terrestres son la capacidad de cubrir grandes extensiones de terreno en muy poco tiempo, alcanzar lugares de difícil acceso sin riesgo para las personas, complementar la información adquirida con fotografías de alta calidad, y el hecho de que con los datos tomados de un mismo vuelo se pueden generar planos a cualquier escala.

• Otras aplicaciones

Dentro del sector extractivo se encuentra el de la minería de carbón, que en muchas ocasiones requiere del tratamiento y acopio de dicho mineral, con el fin de eliminar ciertas impurezas —cenizas, etc.— o proceder a la mezcla de carbones de diferentes características y posterior expedición.

Las pequeñas cantidades de sulfuros metálicos que contienen, tanto los carbones como los estériles carbonosos producen reacciones exotérmicas que pueden dar lugar a la autocombustión de los materiales apilados, con las consiguientes repercusiones de riesgos e impactos negativos.

El seguimiento del estado de los minerales o estériles depositados puede efectuarse con cámaras termográficas, sensibles a longitudes de ondas de 7,5 a 13 µm y con pesos reducidos, p.e. de 1,4 kg.

Otra aplicación minera consiste en el seguimiento del agua embalsada en las presas de residuos, que es un aspecto relevante de cara a la seguridad de dichas estructuras, así como para la planificación y gestión de los recursos hídricos que se precisan en cada momento.

Los sensores que se utilizan en minería, y en concreto en prospección geológico-minera, tienen actualmente unas dimensiones reducidas, por lo que se configuran como instrumentos idóneos para instalarse en los UAV.

En la Tabla 2 se recogen algunas características básicas de los sensores que se utilizan más habitualmente en exploración geofísica, así como los precios orientativos de estos.

Tal como puede verse en la tabla anterior, los magnetómetros de Cesio, tales como el modelo Scintex CS-3SI, pesan unos 0,82 kg. En el caso de utilizarse cuatro de estos magnetómetros con el fin de mejorar la precisión del cálculo de la estructura tridimensional de los materiales, el peso total ascendería a 3,28 kg.

En lo relativo a la captación de imágenes de alta resolución en 2D y en 3D, se pueden llegar a utilizar en este último caso hasta cinco cámaras, que considerando cada una de ellas con un peso de 1,6 kg daría lugar a una carga total de 8 kg.

Para la creación de los denominados Modelos de Elevación Digitales (MED), mediante escaneado LIDAR, los equipos láser empleados pesan unos 9 kg.

Para el análisis hiperespectral se utilizan normalmente generadores de imágenes de un peso del orden de 6,3 kg, al que se le añade una óptica y electrónica adicional de unos 2,7 kg, lo que da lugar a un peso total de unos 9 kg.

Se puede entonces afirmar que con esta tecnología de sensores, y para las aplicaciones más habituales en prospección geofísica, una carga máxima de unos 9 kg, es el objetivo a usar con los UAV.

Por otro lado, en lo relativo al alcance de los vuelos, suele ser habitual que en una campaña de investigación se cubra un área de unos 400 km², mientras que en una campaña de exploración o prospección se cubren hasta 10.000 km².

En el primer caso se necesitaría efectuar dos vuelos y un total de 1.569 km de líneas, con un espaciamiento entre éstas de unos 200 m, lo cual supondría unas 16,4 horas de vuelo para una velocidad de crucero de 100 Kph.

En el segundo caso, con un espaciamiento entre líneas de unos 400 m, se necesitarían 24 vuelos para hacer un total de 1.560 km en un tiempo de 15,7 horas, para una velocidad de crucero de 100 Kph.

Es posible afirmar que para estas aplicaciones un UAV con un alcance de unos 1.600 km podría ser adecuado para ambas aplicaciones.

Finalmente, se puede estimar el precio de un UAV si se conoce el peso del sensor a transportar y el alcance, aplicando la siguiente expresión propuesta por Barnard: Precio (k$) = 0,921 (Carga x Alcance)^0,6

Bibliografía

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