Modelación geotécnica tridimensional de la corta minera de Cobre Las Cruces

La mina de Cobre Las Cruces se localiza en Sevilla, en el suroeste de España. El proyecto minero es propiedad de First Quantum Minerals LTD. En la Figura 1 se muestra la ubicación de la mina y el estado de la corta minera a fecha de diciembre de 2013.

Figura 1. Ubicación de la mina de Cobre Las Cruces con el estado de la corta minera a diciembre de 2013.

La corta minera mide 1.600 m de largo, 900 m de ancho y 250 m de profundidad. Se encuentra localizada en la Faja Pirítica de la Península Ibérica y tiene unas reservas estimadas en más de 17 Mt con una ley media del 6,21% de cobre. La mineralización se encuentra encajada en rocas volcánicas y metamórficas, incluyendo piritas masivas y otros sulfuros de cobre.

Antes de alcanzar la mineralización es precisa la realización de un pre-stripping entre 120 y 150 m de arcillas carbonatadas localmente conocidas como ‘Margas Azules del Guadalquivir’. Estas margas corresponden a una secuencia de origen marino del Mioceno con un comportamiento geotécnico de suelo (arcilla sobreconsolidada) en las que los planos de estratificación (bedding planes) y otras fracturas subverticales juegan un papel decisivo en su comportamiento geomecánico, comportándose como una roca frágil. Como resultado de esto su comportamiento geotécnico puede considerarse como variable y problemático (Tsige et. Al., 1995 and Ayala, 1978).

Por esta razón, desde la superficie hasta aproximadamente 150 m de profundidad se ha adoptado un ángulo del talud global de 28°. Este talud está a su vez conformado por bancos de 10 m de altura y 60° de inclinación, exceptuando los dos primeros bancos en los que se ha adoptado una inclinación de 45°.

De acuerdo a las características geomecánicas de las margas, pueden distinguirse los siguientes niveles (Galera et al., 2009).

• Margas meteorizadas: se trata de un nivel superficial afectado por la meteorización denominado MET. Inicialmente se distinguieron dos niveles dentro de este tramo, pero, finalmente se establecieron tres niveles según la experiencia adquirida durante la excavación: un nivel denominado MET-1, muy meteorizado. De tonalidades marrones. De 10 m de espesor; MET-2, hasta los 23 m de profundidad, en el que la marga presenta signos apreciables de meteorización y fracturas verticales de desecación con un espaciado métrico; y MET-3, hasta los 31 m de profundidad. La marga se encuentra débilmente meteorizada y las grietas de desecación aumentan su espaciado hasta los 12 m aproximadamente. Los parámetros resistentes en este nivel son similares a los del nivel MET-2.
• Margas sanas: a partir de los 31 m de profundidad no se aprecian signos de meteorización, presentando el característico color gris azulado. Dentro de este tramo se pueden distinguir cuatro niveles: Nivel-1, marga ‘blanda’, desde los 31 a los 80 m de profundidad. No se vislumbran grietas de desecación pero sí numerosas diaclasas subverticales y planos de estratificación espaciados en intervalos de 5 m.; Nivel-2, marga ‘media’ desde los 80 a los 110 m de profundidad. Se trata de margas con consistencia de roca blanda grado 0 a grado 0-1, con rotura frágil; Nivel-3, marga ‘blanda’, se trata de una recurrencia del Nivel-1 de potencia entre 5 y 10 m. Lateralmente desaparece entre los niveles 2 y 3, mostrando unas propiedades resistentes y deformacionales similares a los del Nivel-2; Nivel-4, marga ‘dura’. Se trata de margas con consistencia de roca blanda 0-1. La resistencia y rigidez aumenta de forma muy significativa.; y Margas arenosas, de unos 10 m de espesor, yaciendo encima del paquete arenoso cementado Arenas del acuífero ‘Niebla-Posadas’, último nivel de arenas margosas con un espesor aproximado de 5 m.

En referencia a la presencia de discontinuidades (Cooper et al., 2011) pueden discernirse dos niveles desde superficie. Hasta los 31 m de profundidad se localizan fracturas de desecación pero no hay evidencia de planos de estratificación, y desde los 31 m de profundidad hasta el acuífero se pueden reconocer planos de estratificación cada aproximadamente 5 m y diaclasas verticales ocasionales. La Figura 2 incluye la tramificación descrita y a la derecha se muestra la distribución de los valores de Resistencia a Compresión Simple con la profundidad. Finalmente, en la Tabla I se resumen todos los parámetros geomecánicos asignados a cada nivel.

Bajo las margas y el acuífero se encuentra la mineralización encajada en las rocas paleozoicas dentro de la Faja Pirítica Ibérica. Con el fin de realizar una evaluación geotécnica de los materiales paleozoicos se han diferenciado los siguientes litotipos: gossan, tobas, pizarras y sulfuros.

Adicionalmente a la información disponible de los sondeos ejecutados en campañas anteriores se llevó a cabo una campaña de sondeos geotécnicos de más de 700 m de perforación total, con información geotécnica precisa de las rocas involucradas. Estos sondeos fueron testificados y analizados en detalle para obtener una caracterización de estos materiales. La Figura 3 muestra un ejemplo del histograma de distribución de RMR obtenido para el gossan.

El talud global de la corta minera en materiales paleozoicos tiene un ángulo de 45° con bancos de 10 m de altura y 75°de inclinación. Para analizar la estabilidad de la corta se han definido la distribución del RMR y la litología cada 10 m de profundidad. La Figura 4 muestra a la izquierda un ejemplo de un mapa geológico y otro de distribución del RMR, mientras que a la derecha se muestra la correspondencia de estos mismos mapas una vez incluidos en el modelo.

En la Tabla II se resumen los parámetros asumidos para los materiales del Paleozoico.

Estos valores para el macizo rocoso han sido introducidos en el modelo numérico partiendo de los parámetros a nivel de roca intacta de cada litotipo y del RMR de cada elemento del modelo 3D.

El valor de la permeabilidad ha sido deducido de 12 pruebas de permeabilidad a gran escala mediante el control de la evolución de los niveles de agua en 55 piezómetros durante ensayos de bombeo de larga duración. Los valores obtenidos para las margas oscilan entre 10-9 a 10-11 m/s, para las arenas del acuífero Niebla-Posadas entre 7x10-7 a 1,5x10-8 m/s, y para el nivel más superficial del Paleozoico, entre 1,2x10-8 a 2,3x10-8 m/s. En la Tabla III se muestran los valores de la permeabilidad vertical y horizontal asignados en el modelo.

La operación minera requiere de un sistema de extracción de agua del acuífero Niebla-Posadas en el perímetro de la corta durante la explotación de la misma. Para ello se ha implementado un complejo sistema de extracción-reinyección mediante 32 pozos ubicados en la superficie del perímetro de la corta. Adicionalmente existen pozos instalados en el interior de esta. Para evitar la afección al acuífero como consecuencia de este proceso, el agua es bombeada y conducida mediante tuberías hasta otros pozos ubicados entre 2 y 3 km de distancia de la corta en los cuales el agua vuelve a introducirse en el acuífero (reinyección). El caudal involucrado en el proceso de extracción – reinyección puede alcanzar los 150 l/s dependiendo de la ubicación del pozo de extracción. Este sistema opera en un circuito cerrado y se mantendrá a lo largo de toda la vida de la mina. La Figura 5 ilustra los piezómetros que han sido utilizados en el modelo. Arriba se muestran los piezómetros del período 2006 al 2014 que han servido para la calibración del modelo, mientras que abajo se muestran los resultados estimados para el período desde el año 2015 al 2020.

Descripción del modelo

A continuación se resumen los principales resultados del modelo numérico. El modelo ha sido realizado mediante el código FLAC 3D 5.0 calibrando los resultados de las fases de excavación 1 y 2 (2006 a 2013) y realizando una estimación de las siguientes fases, de la 3 a la 6 (2014 a 2022), obteniendo factores de seguridad satisfactorios en toda la corta. Para la elaboración del mallado se han empleado elementos de 10x10x10 m para aquéllos localizados en los taludes, mientras que para el resto del modelo se ha utilizado una malla con tamaño de elemento de 20x20x20 m.

El modelo simula la excavación mediante una secuencia anual, en la que se incorpora el efecto del acoplamiento hidromecánico (Galera et al., 2009), introduciendo un primer paso con un equilibrio mecánico instantáneo (cálculo no drenado) tras la excavación; y, tras la excavación, se considera un flujo con reajuste de las tensiones efectivas en intervalos de 1 mes de duración. Tras alcanzar el equilibrio hidromecánico de cada fase de excavación se procede al cálculo del factor de seguridad.

En la Figura 6 se muestra una vista general del modelo donde se indican las coordenadas y las seis fases de excavación consideradas desde el año 2006 al 2022. El período entre el 2006 y el 2013 fue usado para calibrar el modelo. La prognosis para el resto de la vida de la mina será usada para ajustar y optimizar el diseño de la corta minera.

Se han modelizado las diferentes fases de excavación de la corta, tal y como se observa en la Figura 7, en la que se muestra la configuración de la corta en el año 2013, con el sombreado de las sucesivas fases de excavación, así como su aspecto final en el año 2022.

El modelo numérico se ha construido teniendo en consideración toda la información geológica, geotécnica, geomecánica e hidrogeológica anteriormente descrita. Se describen a continuación los modelos constitutivos adoptados:

• Margas: modelo constitutivo elastoplástico de Mohr-Coulomb considerando juntas de estratificación cada 10 m mediante contactos discontinuos tipo interfase, con una resistencia al corte dada por cJ= 20 kPa y ΦJ= 15°, para simular el papel que juegan estos planos en el comportamiento de las margas (Cooper et al., 2011).
• Paleozoico: modelo de comportamiento elasto-frágil basado en el criterio de rotura de Hoek-Brown (2002) considerando D=0 para los valores de pico y de D=0.7 para la resistencia y deformabilidad residuales. El tránsito de pico a residual es instantáneo, en el momento de producirse la plastificación de cada elemento (comportamiento frágil). La resistencia al corte de cada elemento se cuantifica en términos de la cohesión y el ángulo de fricción tangentes a la envolvente de Hoek-Brown para la σ3’ (efectiva) de cada elemento del modelo.

Adicionalmente, a las pizarras se les ha introducido el modelo de comportamiento de ‘juntas ubicuas’ para representar su esquistosidad. La orientación de las juntas (buz./dir. buz) es 70º/004º, con una resistencia pico-residual.

Resultados obtenidos

A continuación se describen los resultados obtenidos teniendo en cuenta la estimación de la presión de poro y los factores de seguridad.

En la Figura 8 se muestran los datos de los sensores piezométricos utilizados para la calibración del modelo.

La Figura 9 muestra la correspondencia entre los valores de la variación de la presión de poro reales y las obtenidas en el modelo. Como se puede observar, se obtiene un buen ajuste en los piezómetros PP01-93, PP02-82, PP05-44 y PP06-87, con una diferencia media entre las lecturas reales y las obtenidas en el modelo de unos 55 kPa, mientras que para el resto de sensores se obtienen resultados razonables pero con diferencias máximas de 140 kPa (aproximadamente equivalente a la altura de un banco), exceptuando el PP02-117, probablemente porque se sitúa muy próximo al área en la que se ha impuesto el drenaje.

Una vez que se ha alcanzado el equilibrio hidrodinámico en cada fase de excavación, se procede a calcular el factor de seguridad mediante la técnica de reducción de la resistencia al corte de los terrenos (Dawson et al., 1998).

La Figura 10 ilustra los resultados obtenidos para la corta en su configuración actual (2013).

El modelo proporciona suficiente precisión para permitir el análisis de potenciales inestabilidades localizadas como la predecible para el año 2016, tal y como se muestra en la Figura 11.

Figura 11. Factores de seguridad obtenidos para el año 2016.

El trabajo de caracterización para la obtención de parámetros de resistencia y deformabilidad representativos para los materiales margosos y paleozoicos ha permitido la realización de un modelo de precisión relativamente sofisticado para el análisis de los factores de seguridad de la corta minera de CLC.

Estos análisis se han llevado a cabo mediante FLAC 3D que supone una excelente herramienta para la optimización de la geometría de los taludes de la corta, permitiendo considerar las posibles zonas críticas de la corta y anticiparse a potenciales inestabilidades que requieran medidas adicionales para minimizar la afección a la operación minera.

Los autores quieren expresar su agradecimiento a todo el personal técnico de Cobre Las Cruces que ha contribuido con la información utilizada haciendo posible la realización de este estudio.

Referencias bibliográficas

• Tsige, M.; González de Vallejo, L; Doval, M.; Oteo, C and Barba, C. ‘Microfabric of Guadalquivir blue marls and its engineering geological significance’, Int. Assoc. of Engineering Geology, 1995.
• Ayala, F. ‘Engineering Properties of the Guadalquivir river Marly Clays in Cordoba’, 3rd International Conference, Int. Assoc. of Engineering Geology, Madrid, Spain, 1978, Vol 1, 117-122.
• Dawson, E. M., Roth, W. H., and Drescher, A., 1998. ‘Slope stability analysis by strength reduction’, Geotechnique, Vol. 49, No. 6, pp.835-840.
• Galera, J.M.; Checa, M.; Pérez, C. and Pozo, V. ‘Enhanced characterization of a soft marl formation using in situ and lab tests, for the prestripping phase of Cobre Las Cruces open pit mine’. Slope Stability, Santiago de Chile, 2009.
• Galera, J.M.; Montero, J.; Pérez, C.; Vega, L. and Varona, P. ‘Coupled hydromechanical analysis of Cobre Las Cruces Open Pit’. Slope Stability, Santiago de Chile, 2009.
• Cooper, S; Pérez, C; Vega, L, Galera, J.M. and Pozo, V. ‘The role of bedding planes on the slope stability in Cobre Las Cruces open pit’. Slope Stability, Vancouver 2011.
• Beale G & Read J (Eds) (2013) ‘Guidelines for Evaluating Water in Pit Slope Stability’ CSIRO Publishing.