Mina de cobre de Kansanshi
Estabilización de los movimientos de las paredes de minas a cielo abierto detectados por InSAR utilizando drenajes horizontales.
Resumen
La ladera oeste M15 del pozo principal de la mina de cobre Kansanshi de First Quantum Minerals en Zambia es una pared orientada hacia el este que se explota activamente. Este estudio destaca la alerta temprana proporcionada por un servicio de monitorización basado en InSAR. Se detectaron desplazamientos a lo largo de la cara de la pendiente, lo que motivó una intervención mediante drenajes horizontales.
Para supervisar la ladera oeste del pozo, se utilizaron inspecciones visuales, radares terrestres (GBR), estaciones totales robóticas (RTS) e imágenes de la constelación de satélites radar TerraSAR-X. La alerta temprana se emitió en julio de 2022 sobre los desplazamientos InSAR estimados utilizando imágenes de tres meses adquiridas a intervalos de 11 días. Se detectó movimiento en la superficie en varios bancos, con un desplazamiento que comenzaba en la base del muro y se extendía radial y lateralmente, lo que daba lugar a un patrón de hundimiento circular. Se sospechó que esto era un precursor de un fallo a lo largo de la cara de la pendiente. No hubo ninguna alerta de desplazamientos anómalos por parte del GBR y el RTS.
En respuesta a los desplazamientos observados, se elaboró un plan de mitigación in situ. Se planteó la hipótesis de que los movimientos se debían al aumento de la presión intersticial. Se decidió desaguar la zona mediante drenajes horizontales y perforaciones. La perforación de despresurización comenzó en noviembre de 2022 y continuó hasta diciembre de 2022, cuando se observó que la velocidad de movimiento se redujo de 15,1 mm/año a 5,9 mm/año antes del inicio de la estación húmeda.
El control del riesgo y la prevención de fallos permitieron el funcionamiento fluido y continuo de las líneas de tranvía que se instalaron para reducir el consumo de diésel. Además, se evitaron con éxito otros costes asociados al fallo, como el aumento de la distancia de tracción. El uso de InSAR como herramienta de supervisión permitió intervenir a tiempo, lo que supuso un ahorro de tiempo, una mayor eficiencia operativa y un ahorro cuantificable de recursos económicos.
1. Introducción
La gestión de los riesgos asociados a la inestabilidad de los taludes es fundamental para el funcionamiento seguro y rentable de las minas a cielo abierto. El fallo de los taludes puede provocar la interrupción o el cierre de las operaciones mineras, la pérdida de equipos y la pérdida de vidas humanas.
La mina de cobre y oro de Kansanshi, situada en la provincia noroccidental de Zambia, es la mina de cobre a cielo abierto más grande de África, con una producción ininterrumpida desde 2005. Las actividades mineras se llevan a cabo en dos minas a cielo abierto: la mina principal y la mina noroeste (véase la figura 1). Estos pozos utilizan métodos convencionales de explotación a cielo abierto, empleando excavadoras eléctricas e hidráulicas junto con una flota mixta de camiones de transporte (Gray, D et al. 2020). El pozo principal, que es el más grande, tiene una longitud aproximada de 3,2 km, una anchura de 1,4 km y una profundidad de 220 m (O'Ferrall y Simbile, 2020).
El yacimiento de Kansanshi se encuentra dentro del Supergrupo Katanga del Cinturón de Cobre de África Central de Zambia, concretamente en metasedimentos deformados pertenecientes al Grupo Kundulungu Inferior. El yacimiento está formado por diversas unidades rocosas, entre las que se incluyen dolomitas, mármoles dolomíticos, esquistos y filitas. La mineralización de cobre se encuentra en dos estructuras domoides a lo largo de la cresta de un antiforme regional (Gray, D et al. 2020). La secuencia dolomítica es responsable de los sumideros que se han formado en el borde de los pozos donde se encuentran los vertederos de residuos.
Los problemas heredados son evidentes en la región que rodea el pozo, especialmente en lo que respecta a los bancos nororientales, que anteriormente han sufrido meteorización debido a la exposición a la escorrentía de aguas superficiales y subterráneas, lo que ha provocado un deslizamiento constante (O'Ferrall y Simbile, 2020). Una situación similar se da en la ladera superior de Main 15, adyacente a las zonas de explotación activa. También cuenta con una rampa activa como parte de su estructura. La ladera superior de Main 15 tiene una falla que la atraviesa y se ha informado de que presenta una presión intersticial elevada.
La profundidad de la erosión alrededor del emplazamiento de la mina es de hasta 50 m por debajo de la superficie, pero se extiende a más de 250 m en las zonas de fallas. Los fallos anteriores en el pozo han sido el resultado de canales de erosión causados por la escorrentía de agua superficial y fallos en cuña asociados con estructuras geológicas y la orientación de las paredes del pozo.
Figura 1 a) Ubicación de la mina Kansanshi en el noroeste de Zambia. b) Emplazamiento de Kansanshi con el pozo NW y el pozo principal etiquetados.
1. Masa rocosa
Los conjuntos de juntas de la mina Kansanshi son, en general, tres conjuntos ortogonales con variaciones locales. Dos conjuntos de juntas con inclinación pronunciada en dirección noroeste-sureste y noreste-suroeste, y un conjunto de juntas con inclinación suave en dirección norte-sur (estratificación). En la figura 2 se representan los polos típicos de los conjuntos de juntas.
Se realizó un mapeo de ventanas en la pared superior de Main 15. Las observaciones de campo indican que el área de movimiento está confinada por dos planos de falla al norte y al sur. En la Figura 3, la pendiente y los materiales a ambos lados de los planos de falla muestran signos de meteorización (GSI = 25 a 30), mientras que el material dentro de la zona de falla está muy meteorizado (GSI = 10 a 15). La clasificación de la masa rocosa (Bieniawski, 1989) para los materiales se determinó en 32 (roca meteorizada) y 14 (zona de falla). Se identificó que el modo de falla subyacente era una falla en cuña; sin embargo, debido al alto grado de meteorización, se cree que el mecanismo de falla puede presentar un comportamiento más complejo, similar a una falla circular. La susceptibilidad de los taludes al fallo está influenciada por una combinación de factores internos y externos, entre los que se incluyen la geometría del talud, el tipo de roca, las discontinuidades geológicas, las condiciones de las aguas subterráneas, el drenaje superficial, las precipitaciones, la sismicidad y las actividades humanas (First Quantum Minerals, 2022).
Como resultado de problemas heredados conocidos, fuertes lluvias estacionales y sismicidad relacionada con la minería, se elaboró un plan de monitoreo integral para mitigar los posibles riesgos.
Figura 2 (a) Orientaciones típicas de los conjuntos de juntas para la mina Kansanshi, (b) Resultados del mapeo de la ventana M15 (First Quantum Minerals, 2022)
Figura 3. Intersección principal de 15 rampas que muestra la diferencia en la calidad del material.
2. Método
2.1 Resumen del monitoreo
Se utilizan varios métodos para supervisar la estabilidad de los taludes en Kansanshi, entre ellos: radares terrestres (GBR, un ArcSAR y un IBIS FM que supervisan el pozo principal y un MSR que supervisa el pozo noroeste), estaciones totales robóticas (RTS), inspecciones visuales y radar óptico de apertura sintética (InSAR) basado en satélites. El InSAR es una técnica de teledetección que permite estimar desplazamientos a escala milimétrica en la superficie terrestre. El InSAR se utiliza como parte de la estrategia de supervisión de la mina de Kansanshi desde 2021.
En la figura 4 se muestra un ejemplo de los resultados del seguimiento de la RGR.
2.2 Monitoreo satelital (InSAR)
El monitoreo InSAR se implementó en Kansanshi desde 2021. SkyGeo es el socio tecnológico actual desde 2022. Las imágenes SAR utilizadas son adquiridas por el satélite TerraSAR-X en modo StripMap cada 11 días.
Se utilizan imágenes tanto de la órbita ascendente como de la descendente. La órbita descendente tiene un ángulo de satélite pronunciado de 27,8 grados y la órbita ascendente tiene un ángulo de satélite menos pronunciado de 54,4 grados.
SkyGeo realiza el procesamiento InSAR utilizando algoritmos propios de subconjunto de línea de base pequeña (SBAS). El servicio de monitoreo comenzó en abril de 2022 con actualizaciones trimestrales y un informe publicado al final de cada trimestre. La frecuencia de los informes se incrementó a mensual cuando se emitió una alerta para el muro M15. En abril de 2023, la frecuencia de monitoreo de los pozos se había incrementado a cada 11 días (cada vez que se adquiere una imagen).
Se realizó un análisis histórico de referencia en el sitio utilizando imágenes SAR obtenidas por el satélite Sentinel-1 desde órbitas ascendentes y descendentes. El análisis abarcó el periodo comprendido entre enero de 2019 y noviembre de 2021 para el conjunto de datos ascendentes y hasta marzo de 2022 para el conjunto de datos descendentes. La discrepancia en la cobertura temporal se debe a la interrupción del servicio del satélite Sentinel-1B (informe resumido de anomalías en vuelo del Sentinel-1B, s. f.). Ambas órbitas tienen ángulos de incidencia relativamente poco profundos, de entre 41 y 42 grados. Las líneas de base históricas se utilizaron para evaluar los desplazamientos a lo largo de la zona de falla principal, los puntos ciegos de GbRadar, así como las tasas de desplazamiento preexistentes en la cara occidental de la ladera. Se utilizó Sentinel-1 para la línea de base debido a la disponibilidad de imágenes retroactivas sobre la zona.
Para supervisar el pozo oeste M15, se utilizó el satélite TerraSAR-X. Al tratarse de un satélite de banda X, sus características incluyen una mayor precisión de geolocalización, precisión de medición y resolución espacial con respecto a los satélites de banda C, como el Sentinel-1. Este, entre otros factores, fue el motivo por el que se eligió este satélite para supervisar los pozos. Las características generales de las dos bandas SAR se recogen en la tabla 1.
Además de InSAR, también se utilizaron imágenes ópticas satelitales de Sentinel-2 para realizar un seguimiento de los cambios en el sitio y obtener lecturas cualitativas de la humedad superficial del pozo.
Los datos de las líneas de base históricas se utilizaron para definir los umbrales de alerta del servicio de monitoreo InSAR. Se establecieron cinco niveles de activación: Riesgo bajo, Precaución, Alerta, Crítico y Estado poco claro. La bandera «Estado poco claro» se utilizó para indicar una pérdida significativa en la calidad de los datos cuando no se informaba de actividades in situ. Los niveles de alerta menores, como «Riesgo bajo» y «Precaución», se aplicaron a las zonas que mostraban desplazamientos, pero que no eran anómalas con respecto a las estimaciones de referencia. «Alerta» y «Crítico» se aplicaron a los desplazamientos que mostraban aceleración con signos visuales de gran desplazamiento, como grietas por tensión, sumideros, etc.
2.3 Monitoreo in situ
La monitorización in situ consiste en inspecciones visuales periódicas, radares terrestres (GBR), estaciones totales robóticas, prismas y VWP, tal y como se muestra en la figura 5. Se desarrolló un plan de respuesta a acciones desencadenantes (TARP) específicamente para los sistemas de radar de monitoreo de taludes. En él se describían cinco niveles de alerta (L0 a L4) basados en los umbrales de velocidad del GbRadar, que tenían un límite de tiempo y variaban en función del tipo de roca presente, como saprolita, roca sap, material fresco y material suelto (First Quantum Minerals, 2022).
Las inspecciones visuales, combinadas con los datos de los instrumentos y los informes de alerta temprana de SkyGeo, permitieron al equipo de ingeniería de rocas crear un plan mensual de riesgos para la mina. El plan de riesgos clasificó las diferentes secciones de la mina en zonas de riesgo bajo, medio y alto.
Al inicio del monitoreo del EWS en junio de 2022, los niveles de peligro del pozo principal se clasificaron según la Figura 6. La pared oeste M15 se designó como zona de riesgo medio debido a las estructuras de iluminación natural observadas.
Figura 3. Intersección principal de 15 rampas que muestra la diferencia en la calidad del material.
Tabla 1 Bandas de satélite C y X y características generales de sus conjuntos de datos asociados
Figura 5. Ubicación y distribución de la estación total robótica (rombos rojos grandes), prismas (rombos negros), prismas inactivos (rombos rojos pequeños) y VWP (triángulos azules invertidos).
Figura 6. Ejemplo de un mapa de riesgos para la mina principal de Kansanshi (First Quantum Minerals, 2022).
3. Observaciones
3.1 Observaciones históricas de referencia
El análisis del informe histórico de referencia InSAR se centró en los desplazamientos a lo largo de las zonas de fallas, cerca de la región de recorte y los puntos ciegos en relación con los sistemas GbRadar. Se observaron condiciones estables con magnitudes de desplazamiento mínimas en la mayoría de las áreas no explotadas.
Sin embargo, la zona actual conocida como pared oeste M15 del pozo principal mostró un desplazamiento constante durante el periodo de dos años. Esto resultó interesante porque la zona subyacente era originalmente una región situada justo más allá de la cresta del pozo que albergaba un vertedero de roca estéril, como se ilustra en las imágenes ópticas del satélite Sentinel-2 de la figura 7.
Los datos del Sentinel-1 sobre la zona de interés muestran un hundimiento constante a lo largo del tiempo, sin cambios significativos en la extensión espacial de los desplazamientos (Figura 8). Durante la explotación activa del vertedero de roca estéril, entre mayo y agosto de 2021, se observó una ligera reducción en la tasa de desplazamiento (de -41 mm/año a -39 mm/año).
3.2 Observaciones de monitoreo TerraSAR-X de alta resolución
Esta sección se centra en las estimaciones de desplazamiento del satélite ascendente TerraSAR-X, que es especialmente sensible a los desplazamientos de la pendiente a lo largo del muro M15 debido a que su línea de visión es paralela a la pendiente descendente. La primera alerta temprana fue emitida por SkyGeo en junio de 2022 durante la primera revisión trimestral de los desplazamientos de la mina. Se observó que las tasas de desplazamiento entre el 30 de marzo de 2022 y el 26 de junio de 2022 eran de alrededor de -85 mm/año, superando las tasas de desplazamiento históricas de referencia de aproximadamente -40 mm/año. En el informe trimestral posterior de septiembre de 2022, el pozo oeste M15 volvió a ser señalado por desplazamientos acelerados. En particular, el muro oeste M15 experimentó un hundimiento de más de 3 cm entre junio y septiembre de 2022, lo que supone el hundimiento más significativo observado en la cara del muro durante el periodo de monitorización, como se indica en la figura 9.
Además del aumento de la magnitud de los desplazamientos, se detectaron patrones espaciales notables, tal y como se muestra en la figura 10. Se observó movimiento en múltiples bancos, que comenzaba en la base del muro y se extendía radial y lateralmente, lo que daba lugar a un patrón de hundimiento circular. Esto se consideró un precursor de un fallo plano a lo largo de la cara de la pendiente. Dado que muchos tipos de fallos se ven influidos por las condiciones del agua subterránea y la sismicidad, la presencia de estructuras de drenaje de agua subterránea y la actividad de voladura cercana llevaron a la hipótesis de que estos factores contribuyeron al modo de fallo. En consecuencia, los informes de monitoreo se actualizaron a una frecuencia mensual y, finalmente, a una frecuencia quincenal para rastrear el precursor del fallo de manera más oportuna.
Figura 7. Imágenes de Sentinel-2 que muestran la explotación minera activa y el retroceso de la pared oeste del pozo principal entre mayo (a) y noviembre (b) de 2021.
Figura 8. Datos ascendentes de Sentinel-1 sobre el área de interés que muestran series temporales de desplazamientos desde 2019 hasta 2022 (R) y un mapa de calor de la tasa de desplazamiento durante el mismo período. La tasa de desplazamiento es una media estimada de 40 mm/año alejándose de la línea de visión del satélite, lo que puede interpretarse como un hundimiento.
Figura 9. La serie temporal y el desplazamiento acumulativo de TerraSAR-X ascendente indicaron que se produjo un desplazamiento de más de 10 cm durante todo el período comprendido entre marzo de 2022 y abril de 2023.
Figura 10. Datos ascendentes de TerraSAR-X que indican la tasa de desplazamiento cambiante y la extensión espacial de los desplazamientos en el muro M15 entre marzo y octubre de 2022 (a a e). Patrón de hundimiento semicircular indicado por la línea discontinua negra.
4. Resultados
Como resultado del aumento de los desplazamientos alertados por InSAR y otros instrumentos, se desarrolló un plan de desagüe.
4.1 Despresurización
El drenaje comenzó en noviembre de 2022 con la instalación de drenajes horizontales a una profundidad de 120 m y separados entre sí por 150 m, con una inclinación de -5° en ubicaciones específicas. Los drenajes no estaban revestidos. La respuesta a las elevaciones del nivel freático se supervisó mediante la red de piezómetros de cuerda vibrante (VWP) instalada sobre la mina, como se muestra en la figura 11.
La perforación de despresurización comenzó en noviembre de 2022 y se prolongó hasta diciembre de 2022. Durante este periodo, la tasa de desplazamiento estimada con InSAR en el muro mostró una reducción importante, pasando de -101 mm/año a -53,4 mm/año, como se muestra en la figura 12.
El patrón circular de hundimiento espacial fue sustituido por puntos locales de desplazamiento continuo. Estas regiones se encontraban en la base de la pared del pozo, en la cresta y en determinados bancos más al sur de la zona de desplazamiento original, donde se estaban llevando a cabo otras actividades mineras. Esto se muestra en la figura 13.
4.2 Retos durante la temporada de lluvias
Zambia tiene un clima subtropical caracterizado por lluvias estacionales. La estación húmeda suele producirse entre octubre y abril. La precipitación media anual es de aproximadamente 1,3 m/año, con una evaporación de aproximadamente 1,1 m/año. La figura 14 muestra las cifras típicas de precipitación de la mina de Kansanshi, medidas con instrumentos in situ.
Las precipitaciones provocan erosión con desprendimientos a lo largo de las laderas de los pozos, y los barrancos de erosión pueden agravar los problemas de estabilidad de las laderas existentes, provocando la infiltración de agua en ellas. Dado que la hipótesis principal era que los desplazamientos observados eran precursores de un fallo circular, era muy urgente gestionar la reparación antes de que llegara la temporada de lluvias. Los drenajes horizontales instalados también tenían la ventaja adicional de eliminar regularmente el agua de lluvia infiltrada en la zona inestable.
Se observó que, a pesar del impacto de la temporada de lluvias, las tasas de desplazamiento no volvieron a los niveles previos a la intervención, lo que indica que la pendiente se había estabilizado con éxito. Esto se destaca en la figura 13, donde las tasas de desplazamiento se estabilizan en torno a -56,3 mm/año, con una reducción adicional a -40,3 mm/año, lo que coincide con el fin del período lluvioso.
El deterioro de la zona superior de Main 15, debido a las precipitaciones, se muestra en las figuras 15 y 16. El desplazamiento registrado por el GBR muestra un aumento en la tasa de desplazamiento durante las dos temporadas de lluvias 2021/2022 y 2022/2023, como se muestra en la figura 17. El material muestra una aceleración retardada en la temporada 2022/2023. El movimiento total registrado fue de 317 mm en 19 meses, con una velocidad de 0,56 mm/día. Este desplazamiento no se observa durante las operaciones diarias y, si no fuera por la monitorización InSAR, no se habría prestado atención a esta zona hasta que fuera demasiado tarde para remediarla. La erosión y la infiltración del agua de lluvia reactivaron el material y provocaron la aceleración de la masa de material durante la estación húmeda de 2022/2023.
Finalmente, se tomó la decisión de descargar la región de la cresta para garantizar la estabilidad de la zona hasta el final de la vida útil de la mina. El diseño previsto para la zona se muestra a continuación en la figura 18.
5 Conclusión
El monitoreo InSAR fue muy valioso para la mina Kansanshi, ya que le permitió obtener una alerta temprana a largo plazo sobre un área que comenzó a moverse en noviembre de 2021 y que ha mostrado desplazamientos cada temporada de lluvias. La perforación de despresurización ha ralentizado el movimiento, pero este se reactivó durante la temporada de lluvias de 2022/2023. Sin embargo, esto ha permitido a la mina Kansanshi planificar y llevar a cabo la descarga de la cresta antes de la temporada de lluvias de 2023/2024.
Referencias
Bieniawski, Z.T. 1989, Clasificaciones de masas rocosas para ingeniería: Manual completo para ingenieros y geólogos en minería, ingeniería civil y
Ingeniería petrolera, Wiley
First Quantum Minerals. (2022). Plan de gestión del control del terreno de la mina Kansanshi. GCMP 001. Documento interno de la empresa no publicado.
documento.
First Quantum Minerals. 2022. Ingeniería de rocas. Documento interno de la empresa no publicado.
Gray, D., Lawlor, M., Stone, Robert. 2020. «Operaciones en Kansanshi, provincia del Noroeste, Zambia. Informe técnico NI 43-1010».
Más O'Ferrall, G. C. y N. S. Simbile. «Abordar las inestabilidades de las paredes de los pozos en la mina de cobre a cielo abierto más grande de África». En Estabilidad de taludes.
2020: Actas del Simposio Internacional sobre Estabilidad de Taludes en Minería a Cielo Abierto e Ingeniería Civil 2020, pp. 1507-1520.
Centro Australiano de Geomecánica, 2020.
Informe resumido de anomalías en vuelo del Sentinel-1B. (s. f.).
https://sentinel.esa.int/documents/247904/4819394/Sentinel-1B+In-Flight+Anomaly+Summary+Report.pdf
Figura 11. Ubicación (a) y series temporales de tres VWP: b) MDW091, c) MDW093 y d) MDW094.
Figura 12. Cronología de los acontecimientos y tasas de desplazamiento sobre el muro oeste del pozo M15. Ubicación aproximada de las tasas de desplazamiento mostradas en la figura 13.
Figura 13. Evolución del patrón de subsidencia circular en la pared oeste del pozo M15. a) Marzo a junio de 2022, b) junio a septiembre de 2022, c) septiembre a diciembre de 2022, d) diciembre de 2022 a marzo de 2023. El círculo negro en a) se refiere a la ubicación aproximada de las tasas de desplazamiento citadas en la figura 12.
Figura 14. Precipitaciones acumuladas y mensuales (mm) en la mina Kansanshi.
Figura 15. Tanto a) como b) muestran juntas abiertas y barrancos erosionados.
Figura 16. Efecto de la lluvia sobre los saprolitos dispersivos que muestran canalizaciones en la pendiente. a) Canal de erosión a través de la junta, b) Caída de material saprolítico desde las juntas, c) canal de erosión.
Figura 17 Datos principales de 15 radares terrestres a) Gráfico de la serie temporal media desde el 16 de septiembre de 2021 hasta el 22 de agosto de 2023 b) El recuadro muestra el área de la cara de la pendiente para la que se generó el gráfico de la serie temporal superpuesto a un mapa de calor de desplazamiento del 11 de mayo de 2022 al 22 de agosto de 2023, con una escala de colores de ±240 mm (el azul es -240 mm y el rojo es +240 mm) en la línea de visión del radar.
Figura 18 Descarga de la cresta de la zona de falla M15
Estudios de casos
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Compañía Minera de Potasa
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