Control de riesgos de desprendimientos e inestabilidades en paredes rocosas, en minería a cielo abierto

El desprendimiento de rocas pertenece a los procesos de peligros naturales gravitatorios, ponen en riesgo vidas humanas e infraestructuras, con mucha frecuencia.

Uno de los últimos eventos de desprendimiento de rocas ocurrió el pasado 28 de enero de 2023 en la carretera de acceso a Sierra Nevada (Granada) causando un accidente con 5 heridos y varios daños en un vehículo tras el impacto de un bloque en un coche (fig. 1).

Fig.1. Desprendimiento en el km 16 de la A395 acceso a Sierra Nevada, Granada.

Como en la mayoría de los casos de este tipo, el especialista responsable de la toma de medidas de protección se enfrenta a los siguientes problemas:

• Predecir las posibles zonas de origen de los bloques y las posibles trayectorias de los fragmentos.
• Dimensiones del bloque tipo, así como la energía que puedan alcanzar al llegar al camino de acceso o la zona donde estén emplazadas las barreras de protección que intentan detener dichos bloques.
• Influencia que puede ejercer el material de la superficie de la ladera sobre el que se produce el desprendimiento, y que influirá evidentemente en la velocidad de trayectoria de las rocas.

La eficiencia y durabilidad de las obras de protección en este caso, así como su coste, dependerán de la correspondencia y equilibrio entre el diseño adoptado y los parámetros que caracterizan los puntos antes mencionados como dificultades. Se requieren métodos novedosos para simular y analizar las trayectorias, las velocidades y las alturas de rebote de los desprendimientos de rocas, además de nuevas soluciones para mejorar la vulnerabilidad en determinadas áreas. Los diferentes puntos de mejora se describen en a continuación (Prieto et al, 2022).

Hace varios años el modelado en 2D era el método más avanzado para simular las trayectorias de caída de rocas. A fecha de hoy, en el mercado hay disponibles diferentes tipos de software 3D, como por ejemplo el Rockfall (Spang et al 2016) o Rocfall (Rocscience, 2020). Para utilizar este tipo de software además de la información del modelo digital del terreno, es igualmente importante el estudio de campo, encontrar los orígenes adecuados para modelar en su totalidad, zonas críticas que dan como resultado las máximas energías y alturas de rebote. Las condiciones del terreno deberán representar en lo posible la realidad, para poder modelar la interacción roca y terreno durante el impacto (Volkwein, 2004). Actualmente, los programas de modelado 3D han dado un vuelco a esta necesidad imperativa, el software es un aliado identificando la forma y dimensiones de los bloques de origen. Un ejemplo de software de simulación de trayectorias de desprendimiento de rocas en 3D conocido es RAMMS::ROCKFALL de SLF/WSL -Instituto Federal Suizo para la Investigación Forestal, la Nieve y el Paisaje- (Leine et al 2013).

Desde que se publicó el primer documento directriz para evaluar los kits de protección contra caída de rocas en 2001, el desarrollo de barreras contra caída de rocas ha mejorado mucho (Gerber 2001). Desde 2017, las barreras de protección flexibles con redes de anillo pueden alcanzar un nivel de energía de hasta 10.000 kJ y ahora están al mismo nivel de energía que los grandes caballones o terraplenes de protección. Desde 2020, Geobrugg, ha desarrollado un nuevo sistema de barrera que permite garantizar mayor área efectiva ante desprendimientos múltiples, sin lugar a duda la serie ROCCO® hasta 3000kJ a fecha de hoy, es la respuesta más segura ante impactos (fig. 2)

Para niveles de energía mucho más bajos, hasta unos 30kJ, las barreras rígidas, los muros New Jersey o las barreras de madera también se pueden llegar a considerar. Las aplicaciones especiales de barreras flexibles usadas en forma de galería, sistemas de cortinas, sistemas deflectores o atenuadores (fig. 3) y los sistemas de estabilización de taludes son soluciones que utilizan redes y mallas flexibles de acero de alta resistencia que también se usan con mucha frecuencia en minas a cielo abierto.

El riesgo de desprendimiento de bloques en las operaciones mineras a cielo abierto existe principalmente en los taludes de corte para acceso al mineral, lógico resultado del diseño agresivo en términos de pendiente de dichos taludes, en las paredes planas sin bermas, intentando seguir los yacimientos de buzamiento poco elevado o localmente conseguidos al nivel del talud. Las bocaminas y rampas para transporte son áreas especialmente peligrosas, por lo general, con alto potencial de generación de daños, por lo tanto, en ellas el riesgo debe intentar reducirse tanto como sea posible. Como los sistemas de protección de Geobrugg que se describen en este documento están fabricados con componentes flexibles de alambre de acero de alta resistencia, son capaces de absorber energías de hasta 10.000 kJ (fig. 4). Para calcular las velocidades y energías de los impactos, los ensayos implican la simulación en las condiciones más desfavorables.

Fig. 4. Ensayo Vertical caída libre (42m, 25t), barrera 10.000kJ. Walenstadt, Suiza.

Los sistemas de barreras de protección contra desprendimientos rocosos tipo GBE, RXE y ROCCO actuales, se ensayan en las condiciones críticas -caída libre-, de acuerdo con las normas vigentes más restrictivas. (Oficina Federal de Medio Ambiente de Suiza (FOEN)) y las directrices europeas ETAG 027 y bajo el escrutinio de WSL y cuentan con la Evaluación Técnica Europea (ETA) y el marcado CE.

En labores a cielo abierto el banqueo es el método común para controlar las ciadas de bloques y proteger al personal y la maquinaria. Para garantizar la efectividad de la solución las bermas han de tener un ancho mínimo indispensable. Ritchie (1963) propone (1) como criterio de diseño para el ancho mínimo de la berma Amin, en relación con la altura del banco H:

A_mín = 4,5 + 0,2H [m] (1)

Una posibilidad algo más sofisticada es definir el perfil del talud con un software de simulación de caída de rocas como, por ejemplo, RAMMS::ROCKFALL (Leine et al 2013). Teniendo en cuenta parámetros como la inclinación y altura del talud, la composición de la superficie rocosa, la rugosidad de la superficie y el tamaño y forma esperados de los bloques que podrían desprenderse, entre otros aspectos, se puede estimar la trayectoria esperada de los bloques. Con estas estimaciones de trayectoria se puede determinar el ancho mínimo de la berma. La barrera a instalar se diseña en base a los resultados de estos estudios, ver ejemplo figura 5 en mina ‘El Soldado’, Chile.

Fig. 5. Diseño típico de una instalación minera a cielo abierto (izq.); y ensayos de campo El Soldado, Chile (dcha.).

Los parámetros para el emplazamiento de una solución de protección contra desprendimientos son: la altura del banco, el ancho de la berma y las propiedades del sistema. Se puede instalar un sistema en cada berma, o de forma alterna (cada segunda o tercera berma). Una condición necesaria para el empleo de barreras de captura es que la estabilidad de los bancos, las bermas y las condiciones para la cimentación de la barrera sean adecuadas. Por esta razón, es muy importante la colaboración de los ingenieros geomecánicos de la mina y el proveedor del sistema.

Generalmente, se realiza un estudio de viabilidad económica previo al desarrollo y explotación de un nuevo proyecto minero, que dependerá del valor de mercado del mineral y su capacidad para ser vendido bajo las condiciones de demanda del mercado, en relación con el costo total de explotación y beneficio del mineral. Para que una operación a cielo abierto sea considerada rentable, de sebe poder acceder al yacimiento de forma tal que la eliminación del estéril sea racional y optimizada (Balg et al 2012).

Mediante el empleo de barreras de protección es posible reducir el ancho de la berma, y suplir algunas de sus funciones. Con esta medida, el ángulo general del talud puede ser mayor. Incluso puede ser posible hacer que el ángulo del banco sea más pronunciado. El beneficio de la instalación de la barrera es que se puede reducir la cantidad de estéril a excavar, lo cual reduce los costes de extracción (fig. 6, izq).

Fig. 6. Influencia de reducción del ancho de berma y banco doble (dcha.).

Utilizando barreras de protección contra desprendimientos en las operaciones, será posible acceder de forma eficiente al mineral debido a que los taludes serán más verticales. Se debe asegurar que la barrera esté al menos en la zona estable, por lo general entre 1,5 m y 2,0 m del borde de la berma para evitar daños ocasionados por las voladuras.

Especialmente para bancos con una altura menor de 20 m (muy frecuentes) resulta recomendable aumentar la altura del banco a 30 m en lugar de reducir el ancho de la berma (fig. 6, der). Este enfoque tiene la ventaja, que las bermas mantienen su ancho, y se controlan de alguna manera los posibles daños ocasionados por las voladuras. Con este diseño, también es posible hacer que el talud general de la mina sea más vertical y, por lo tanto, ahorrar costes de extracción. Además, es muy probable que exista más mineral accesible.

Para yacimientos de poca potencia, con un buzamiento de 40º a 50°, es más rentable elegir un diseño del talud con barreras, pero sin bancos. La figura 7 derecha muestra un ejemplo de diseño de talud de 45° sin bancos. Si el yacimiento buza con una mayor inclinación que el ángulo de fricción del contacto, posiblemente cada banco desarrollado, fallará a lo largo del contacto, para ese caso y en la medida que la normativa local lo permita, una solución puede pasar por considerar un diseño de un banco único sin bermas, pero incluyendo barreras de protección.

Fig. 7. Diseño de corte sin bermas.

Si los costes de las barreras son menores que los costos de extracción ahorrados y el valor del mineral adicional, tiene sentido económico utilizar el sistema. Incluso es posible que un yacimiento marginal desde el punto de vista económico pueda volverse rentable si se emplean barreras como complemento.

C_sys < C_min + V_ore (2)

Siendo:
C_sys: coste del sistema de protección
C_min: costos de extracción ahorrados
V_ore: valor del mineral adicional

Las bocaminas para operaciones subterráneas normalmente se ubican en el fondo de las minas a cielo abierto, una vez que se ha alcanzado la profundidad que marca el límite económico de la explotación para continuar la explotación mediante labores de interior (fig. 8, izq). Es muy importante asegurarse de que la bocamina y el talud sobre ella nunca se bloqueen, de lo contrario, toda la operación se detendrá. En múltiples ocasiones la coronación de las bocaminas está protegida por una extensa membrana que intenta estabilizar todo el talud superior, y, en algunos casos, la malla se combina con gunita. Sin embargo, la instalación de una barrera de protección corta sobre la bocamina suele ser mucho más eficiente desde el punto de vista técnico-económico, que la malla y el hormigón proyectado de forma extensiva.

Fig. 8. Bocamina de entrada a operación subterránea (izq) rotura de talud de mina (dcha.).

En múltiples ocasiones no es posible estabilizar todo el talud debido a las malas condiciones precedentes (antiguas roturas, mal estado de la roca). La figura 8 (der) muestra una rotura en un talud de una mina a cielo abierto en África. En estas circunstancias, una barrera de protección contra caída de rocas, puede ser una medida de protección eficaz.

La figura 9 muestra una situación en la que parte del talud de la mina sin berma falló y provocó el deslizamiento de una gran cantidad de material suelto, dicha figura también muestra que las protecciones instaladas eran insuficientes ante la entidad del deslizamiento. Las barreras bien diseñadas son, incluso, capaces de detener grandes volúmenes de roca en condición saturada (shallow landslide), como lo demuestran los experimentos de campo (Wendeler et al 2014).

Fig. 9 Barreras estáticas no adecuadas para detener un pequeño deslizamiento de rocas (izq.). Barrera contra deslizamientos de tierra poco profundos durante un ensayo de campo (dcha.).

Ubicada en el distrito de Mandai en la parte norte de Singapur, se encuentra la cantera objeto de estudio. La cantera estuvo operativa durante un período de 30 años y produjo áridos de alta resistencia y durabilidad. Geológicamente, el área pertenece al granito Bukit Timah (fig. 10).

Fig. 10 Vista aérea cantera Mandai. Singapur.

El granito Bukit Timah se formó durante el período Triásico, es de color gris claro y de grano medio a grueso (2 a 5 mm). Según el estudio geológico, los principales minerales son cuarzo, feldespato, biotita y hornblenda. En el estudio geológico se consideraron cuatro estadios de meteorización del granito: muy meteorizado, moderadamente meteorizado, ligeramente meteorizado y sano. De forma adicional, existe suelo residual de granito Bukit Timah, y es la segunda formación dominante. El suelo residual forma la cobertera del granito en amplias áreas, mientras que el espesor de esta capa varía de 3,6m a 61,5m. El suelo residual es arenoso y pesado, con cierta dureza y consistencia rígida. El contenido de arcilla disminuye con la profundidad, mientras que el contenido de grano grueso y la resistencia aumentan con la profundidad. No se detectaron salidas de agua subterránea desde el fondo y los taludes laterales de la cantera. Después de las lluvias se pueden observar algunas salidas de agua siguiendo las juntas subhorizontales. Las investigaciones hidrogeológicas mostraron que la capacidad de drenaje de la cantera es casi igual a la suma de la lluvia y la capacidad de evaporación.

Para dimensionar las barreras contra caída de rocas y los sistemas de estabilización de taludes, se utilizaron los siguientes principios y herramientas de diseño.

El software Rockfall de Dr. Spang como software de simulación de caída de rocas. Este programa permite calcular las trayectorias de las rocas, las alturas de rebote y las energías de impacto en función de una sección transversal determinada y del llamado bloque de diseño, para ubicaciones específicas. Los mecanismos de activación que pueden provocar eventos de desprendimiento de rocas en el área de la cantera son:

Meteorización natural: los procesos de meteorización reducen la resistencia del macizo rocoso, especialmente en la capa expuesta y, por lo tanto, conducen principalmente a fracturas y fisuras por lo general, paralelas en la superficie del talud. Las lluvias o precipitaciones afectan principalmente a la resistencia de las juntas. El aumento de la presión del agua en los poros y juntas conduce a una reducción de la cohesión y la fricción entre juntas en la roca meteorizada. En general es el principal mecanismo desencadenante de eventos de desprendimiento de rocas. Mientras que el mayor potencial de desprendimiento de rocas está directamente relacionado con la cantidad de precipitación.

Seísmos: los bloques que se encuentran en un equilibrio precario, en la superficie de la ladera natural o en las superficies rocosas desintegradas pueden comenzar a moverse debido a la aceleración del suelo causada por el seísmo. Además, los bloques rodados que están incrustados en el talud natural en capas en su ángulo de reposo pueden comenzar a rodar o moverse cuesta abajo debido a la disminución de la cohesión y el ángulo de fricción debido a la aceleración del suelo.

Voladuras: las cargas dinámicas inducidas por las voladuras en la superficie cercana son comparables a la situación de un terremoto. La principal diferencia entre los dos mecanismos radica en que el área afectada por la voladura es relativamente pequeña, en comparación con el área que cubre el sismo. Además, la aceleración del terreno es predecible y puede minimizarse utilizando un patrón de voladura optimizado y con retardo.

Seres humanos o animales: las personas y los animales presentes en la zona pueden llegar a movilizar rocas de menor tamaño (< 25 cm) que, a su vez, pueden remover rocas más grandes por impacto directo y provocar desprendimientos de mayor entidad. Se considera que las instabilidades de cuñas más grandes rompen durante el impacto y se separan en fracciones más pequeñas debido al movimiento ladera abajo y, por lo tanto, no impactarán contra la barrera al mismo tiempo y en el mismo lugar.

El software Ruvolum® se utiliza como herramienta de diseño para el dimensionamiento de los sistemas de estabilización de taludes. Este método de cálculo permite optimizar el patrón de bulonado y las dimensiones del anclaje en función de una malla de acero específica que se utilizará como membrana de distribución de cargas entre los puntos de anclaje. La base para los cálculos de diseño son las condiciones de contorno específicas del lugar, como la inclinación del talud, las propiedades del material, el espesor de la capa a estabilizar y las propiedades de la malla. Todos los cálculos de estabilidad se realizaron con coeficientes de seguridad parciales según el Eurocódigo 7. Los factores y los valores utilizados se resumen en la tabla 1.

donde: c_d, γ_d y φ_d son parámetros que se reducen de acuerdo con los factores de seguridad especificados anteriormente y se utilizan para los cálculos.

Para el anclaje de bloques aislados de roca, se supone que los mismos se encuentran en cuasi-equilibrio o movimiento inminente (FS cercano a 1,00). Las fuerzas de cohesión y fricción entre los bloques inestables y la roca matriz se desprecian y constituyen un coeficiente de seguridad adicional a los coeficientes de seguridad de entrada. Los anclajes se realizarán completamente inyectados (bulones pasivos) y, por lo tanto, se considerarán cargados solo con fuerzas de corte. En la Tabla 2 se encuentran los coeficientes de seguridad para los parámetros de entrada según el Eurocódigo 7.

Los tramos de talud (figuras 11 a 14) que se cubrieron con sistemas de estabilización se sanearon de material suelto antes de la instalación de los anclajes y de la membrana. Los trabajos de limpieza y saneo se realizaron, de forma manual y únicamente con herramientas básicas, comenzando por la parte superior. No estaba previsto limpiar los tramos de talud hasta la roca sana, los grandes bloques inestables sueltos se anclaron de forma individual.

Fig. 12. Perfiles 360 a 560 (izq) 540 – 640 (dcha.).

Fig. 13. Perfiles 590 a 850 (izq) perfiles 850 a 1200 (dcha.).

Fig. 14. Hastiales interior y exterior de la trinchera desde el perfil 490 hasta el 1100 (izq.) y banco inferior desde el perfil 1600 hasta el 1650 (dcha.).

Los taludes sobre el banco inferior en la sección entre los perfiles 290 y 580 no muestran roturas recientes. Las caras de los taludes están afectadas por antiguas tronaduras, debido a las voladuras de producción, pero no se detectaron grandes porciones sueltas durante las investigaciones in situ. El ancho del banco existente con la pista superior varía entre 8 y 17 m. La Tabla 3 muestra los resultados resumidos de la simulación para las principales secciones transversales. Las franjas de color amarillo rojizo en la roca (fig. 14 der) sobre el banco indican flujos de agua de las laderas naturales sobre el talud de la cantera, y son fuentes potenciales de flujos de lodo causados por fuertes lluvias. En general, estos flujos de lodo se extenderán a lo ancho cuando impacten en el banco y luego fluirán hacia la barrera. El área entre los perfiles 580 a 640 puede verse afectada por frecuentes flujos de lodo como mostraron las observaciones de los últimos dos años. El material del flujo de lodo consiste principalmente en el suelo residual que forma las laderas naturales sobre el talud de la cantera y bloques rocosos de varios tamaños. Las barreras propuestas también podrán detener estos flujos de lodo de manera segura antes de que puedan afectar la pista de acceso.

Una gran masa de roca suelta, completamente separada de la roca sana en el talud sobre el banco inferior en el perfil 760, se sostendrá mediante anclajes. Como la perforación de los anclajes se realizó normal al plano de la junta, los pernos solamente absorben el cortante. Los anclajes (bulones) son pasivos, se inyectan en toda su longitud y no se tensionan. Desde el perfil 780 al 805, dado que el ancho del banco se reduce a menos de 3 m debido a los trabajos de excavación de trincheras, la barrera se ubicó cerca del pie del talud para controlar los rebotes.

El talud que forma el banco inferior en el área entre los perfiles 700 y 1200 se trata de labores antiguas que quedan de la producción de la cantera; por esta razón, contienen una cantidad considerable de bloques sueltos y grava. En general, estos taludes no presentan roturas causadas por problemas de estabilidad general. Los parámetros de entrada que se utilizan para el dimensionamiento de los sistemas de estabilización de taludes son, por tanto, los mismos que se utilizan para una parte de los taludes de las trincheras (tabla 4). Para la sección superior de los taludes entre los perfiles 900 y 1000 se desprecia el valor de cohesión, ya que el talud se compone de material muy suelto y desintegrado. La cohesión de la roca suelta en esta sección también se desprecia, debido a que estos taludes no fueron excavados mediante voladuras de contorno y estuvieron expuestos a la intemperie natural durante aproximadamente 30 años. Por lo tanto, se considera que, debido a la liberación de tensión paralela a la cara del talud, la cohesión a lo largo de las juntas y fracturas existentes es despreciable.

La solución es la instalación de una membrana tipo Tecco® G65/3 en combinación con anclajes, siendo su patrón, según tabla 4, en función de las condiciones del paramento. Los bulones son de 3m de longitud para roca suelta y de 4m para material suelto. Los hastiales interno y externo de la trinchera se componen de granito Bukit Timah recién excavado. El uso de la técnica de voladuras de contorno debería reducir al mínimo la fractura y disgregación de los taludes excavados. Aunque esta técnica debe usarse en todo el tramo de los hastiales de la trinchera, hay grandes cambios en la calidad de la roca. Dado que hasta la fecha solo se ha excavado una pequeña parte de la trinchera, se supone que se deben considerar tres condiciones diferentes de roca, para el diseño de los sistemas de estabilización de taludes (tabla 5).

Roca intacta, la superficie excavada está limpia y estable y los barrenos aún son visibles en la cara de la roca.

Roca suelta, la trinchera se compone de roca fracturada, las porciones aún son visibles en una parte de la superficie.

Zona de cizallamiento, donde la superficie de la roca está fuertemente fracturada y no son visibles o son muy pocos los barrenos después de la excavación.

La solución es la instalación de una membrana tipo Tecco® G65/3 en combinación con anclajes, siendo su patrón, según tabla 5, en función de las condiciones del paramento. Bulones de 2m de longitud para roca intacta, 3m para roca suelta y 4m para la zona de cizalladura. El talud de roca sobre la entrada al polvorín se asegurará por medio de una membrana compuesta de paneles de red de cable de acero para las zonas sueltas ubicadas directamente sobre la entrada y mediante bulonado de las cuñas para la estabilización de rocas sueltas hasta la coronación.

En las siguientes figuras 15 y 16 se muestran un par de puntos de la secuencia de ejecución de las barreras de protección contra desprendimientos, primero la colocación de los postes y luego el cierre con red de anillos Rocco®.

Como complemento a las barreras contra caída de rocas se instalaron sistemas de estabilización de taludes compuestos por malla Tecco® G65/3 anclada con barras de 32mm de longitud variable. A continuación, se observa cuán eficiente ha sido el funcionamiento de este sistema (fig. 17).

Como se ha explicado, complementariamente se instalaron anclajes aislados para la sujeción de bloques de diversa entidad, en la figura 18 se muestran diversos tipos de métodos de perforación utilizados, para la ejecución de dichos anclajes.

Debido a las lluvias torrenciales del año 2006 algunos bloques cayeron por la ladera acompañados de deslizamientos superficiales que fueron debidamente interceptados por las barreras de protección contra desprendimientos de rocas previamente instaladas. A continuación, las fotos (fig. 19) describen el tipo de impacto (cargas combinadas: puntuales y distribuidas).

Sin duda, la capacidad de los sistemas de protección contra caída de rocas ha evolucionado junto con el diseño y las metodologías de simulación 3D. Hace relativamente poco, las barreras de protección contra caída de rocas de Geobrugg han superado el umbral de 10MJ, y son, sin duda, la mejor alternativa a los caballones de protección. En el proceso de diseño de minería a cielo abierto la reducción del ancho de bermas a partir del empleo de barreras contra caída de rocas es una práctica útil, segura y muy eficiente que permite el aumento de la productividad, mientras que el doble banco combinado con barreras es eficiente contra el daño por voladura. Además, es oportuno señalar que en muchos casos es más rentable diseñar los taludes utilizando barreras en vez de bermas.

El costo de la instalación de las barreras es mucho menor con respecto al beneficio que se obtiene en el proceso de producción y acceso a mineral adicional. La práctica de los últimos años ha demostrado que las barreras contra caída de rocas también funcionan de manera eficiente en áreas de alto riesgo potencial. En el caso de estudio en la cantera Mandai la solución combinada, corrobora que el uso de membranas y barreras contra caída de rocas, junto con sistemas de estabilización de taludes, permite un incremento muy eficiente del coeficiente de seguridad durante la operación minera. En este trabajo se demostró que los componentes de acero de alta resistencia a la tracción son una opción adecuada para ayudar a resolver los problemas de desprendimientos de rocas en minas a cielo abierto. En esta aplicación se requiere de un ensayo de campo y un ensayo de los componentes más importantes para proyectar una medida de protección final diseñada y desarrollada.

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