Apoyo Drenaje de Minas Docente: Baldemar Cuevas Mendez Otoo 2015 INACAP MaipDrenaje de minas

2. EL AGUA EN EL MACIZO ROCOSOLa estructura del macizo rocoso es el armazn o soporte del agua y condiciona su comportamiento hidrulico, por lo que hay que conocerla y conocer tambin las categoras de agua presentes, su distribucin en diferentes zonas de humedad y las propiedades hidrulicas del macizo. La presencia y movimiento de agua en el suelo y subsuelo es slo uno de los caminos por los que puede discurrir el agua dentro del ciclo hidrolgico.

El agua penetra en el macizo rocoso por infiltracin de la lluvia, o por el lecho de un ro o lago que se encuentre por encima del nivel fretico. Son las zonas de recarga o niveles energticos ms altos, para las aguas subterrneas. A partir de ah, el agua circula en profundidad y por infiltracin eficaz recarga a los acuferos y circula por ellos. Las aguas se desplazan por el acufero desde los niveles energticos ms altos (recarga) a los puntos ms bajos (descarga). Estas zonas de descarga pueden ser ros o lagos por debajo del nivel fretico, manantiales, el mar, etc. La energa necesaria para el movimiento del agua subterrnea procede esencialmente de las diferencias de nivel topogrfico y de la presin hidrulica. La escorrenta superficial (en ros) y subterrnea (en acuferos) est estrechamente unida, tal como se muestra en las diversas situaciones ilustradas en la Figura 3. Por ejemplo un ro puede actuar de zona de recarga en un tramo de su cauce y de descarga en otro, pasando de ser un ro perdedor (ro influente) en el primer caso a ser un ro ganador (ro efluente) en el segundo.

Los distintos usos funcionales del agua requieren una manipulacin del ciclo natural con el fin de transportar y almacenar agua, regular el nivel, aumentar la eficiencia del drenaje, etc.El hombre influye en el agua de dos formas distintas:- directamente, modificando el rgimen de circulacin y la calidad de las aguas mediante extraccin, vertido de aguas residuales, regulacin fluvial, etc.- Indirectamente, alterando la vegetacin y la cobertura del suelo mediante actividades relacionadas con el uso del terreno, lo que modifica la circulacin del agua en el macizo rocoso y su calidad. La vegetacin y el suelo constituyen la zona clave de la fase terrestre del ciclo del agua; la actividad en esta zona determina el fraccionamiento de la precipitacin: una parte es tomada por la vegetacin y vuelve a la atmsfera, mientras que el resto va a las formaciones subterrneas. Por eso, todo cambio en la utilizacin de la tierra que modifique la cobertura vegetal, la densidad del follaje, la profundidad de las races, el desarrollo del sistema radicular, la permeabilidad del suelo, las desigualdades del relieve, etc., implica cambios en el agua del suelo y subsuelo que afectan al comportamiento hidrulico del macizo rocoso.El suelo es el resultado de cambios fsicos y qumicos y de la actividad orgnica sobre la roca madre a travs del tiempo. Un perfil tpico del suelo muestra diferentes horizontes:- Horizonte A: rico en materia orgnica, generalmente de tono oscuro y, con el tiempo, empobrecido por las aguas, por lo que recibe el nombre de horizonte de lavado o eluvial.- Horizonte B: aparece debajo del A como depsito de las sustancias arrastradas por el agua desde el horizonte superior. Se le conoce como horizonte de acumulacin o iluvial.Naturalmente el proceso descrito anteriormente puede sufrir importantes modificaciones.- Roca madre (horizonte C).En general el horizonte A es ms permeable que el B, pues en este se acumulan arcillas y coloides que cementan los materiales ms gruesos.Las acciones del hombre en minera (excavaciones a cielo abierto, galeras subterrneas, voladuras, etc.) alteran las condiciones de equilibrio natural del terreno, y la reaccin ser diferente segn se trate de un suelo o de un macizo rocoso. La respuesta es compleja en todos los casos, pero en el segundo, al ser materiales frgiles, el grado de deformacin puede alcanzar la rotura y sta va a depender del tipo de materiales, presencia de discontinuidades, zonas de alteracin, resistencia mecnica de la roca, presencia de agua, profundidad, etc., y pueden producirse diaclasas e incluso roturas con desplazamientos de cierta envergadura (fallas). La identificacin litolgica se lleva a cabo con estudios mineralgicos petrolgicos, tanto en materiales incoherentes como en rocas compactas, y sirve para caracterizar minerales y rocas presentes, de cuya composicin y caractersticas texturales y estructurales depender, en buen grado, el comportamiento mecnico del suelo o del macizo rocoso. Forma parte del estudio geolgico que se realiza para caracterizar la trama del suelo o del macizo rocoso A continuacin, y avanzando un paso ms en el sentido de conocer el comportamiento mecnico de un suelo o un macizo rocoso a las acciones antrpicas asociadas a las labores mineras, hay que determinar los parmetros hidrulicos:- porosidad, m- permeabilidad Darcy, k- transmisividad, T- coeficiente de almacenamiento, SPorosidad, mLa porosidad de un material viene expresada por la relacin entre el volumen de su parte vaca u ocupada por aire y/o agua y su volumen total. En la porosidad influyen varios factores, entre los que distinguiremos los siguientes:a) Forma de los granos minerales, que determina la forma y dimensiones de los poros.b) Disposicin de los granos minerales en el espacio.c) Tamao del grano.En la prctica no es frecuente encontrar uniformidad en los granos. Adems, hay que indicar que en materiales sueltos, como un macizo de arenas por ejemplo, la porosidad depende del grado de compactacin de los granos, de su forma y distribucin por tamao. Los granos pequeos pueden introducirse en los huecos existentes entre los granos de mayor dimetro, actuando de matriz, de forma que un medio heteromtrico (granos de tamaos variados) suele tener una porosidad menor que otro en el que los granos estn bien clasificados (tamaos uniformes).Permeabilidad o conductividad hidrulica, kEn 1856 el ingeniero francs Henry Darcy descubri la ley que regula el movimiento de las aguas subterrneas midiendo el caudal Q en funcin de la permeabilidad de los materiales estudiados. La Ley de Darcy se expresa como: Q = k A (h/l)

Con k = coeficiente de permeabilidad Darcy (conductividad hidrulica), A = rea de la seccin de flujo del agua, h = diferencia de carga hidrulica entre la entrada y la salida de la vasija, l= recorrido que debe realizar el agua.Se define como el caudal que pasa por una seccin unidad del acufero bajo un gradiente tambin unidad a una temperatura fija o determinada; por eso se le llama tambin conductividad hidrulica.Los factores que determinan la permeabilidad pueden ser intrnsecos y extrnsecos:- Los factores intrnsecos son los propios del material que constituye el macizo rocoso y dependen del tamao de los poros. Por ejemplo, si dos materiales detrticos estuvieran formados por esferas de 0,1 m y 10-3 m de dimetro, podran tener igual porosidad pero siempre tendrn diferente permeabilidad, de tal manera que si el resto de condiciones se mantiene, siempre tendr mayor permeabilidad el medio que tenga mayor dimetro de partculas.- Los factores extrnsecos son los que dependen del fluido: viscosidad y peso especfico.La viscosidad de un fluido es la medida de la fuerza resistente, por unidad de rea y por unidad de gradiente de velocidad transversal a la direccin del movimiento del fluido. Tanto la viscosidad como el peso especfico dependen de la temperatura, por lo que en casos especiales debe tenerse en cuenta sta, sobre todo por la notable influencia de la viscosidad en la permeabilidad. La conductividad hidrulica k de un material es un parmetro que expresa la facilidad para que el agua circule a su travs. Es, por tanto, el principal parmetro que caracteriza las propiedades hdricas de los materiales en el suelo o en el macizo rocoso, y uno de los que registra mayores variaciones en funcin del tipo de material. Tambin se le denomina coeficiente de permeabilidad, pero esta denominacin puede crear confusin con la permeabilidad intrnseca o especfica o simplemente permeabilidad, que es una propiedad fsica del medio. Transmisividad, TLa ley de Darcy la define como, el caudal que se filtra a travs de una franja vertical de terreno, de ancho unidad y de altura igual a la del manto permeable saturado bajo un gradiente unidad a una temperatura fija determinada. Coeficiente de almacenamiento, SCuando se bombea agua de un pozo, el agua procede del acufero mediante uno de estos dos sistemas: drenaje o vaciado de los poros del mismo (acuferos libres) o de los pequeos efectos elsticos del armazn fsico del acufero y de la propia elasticidad del agua, siendo sta la nica forma de obtener agua en un acufero cautivo.En el primer caso el agua procede del vaciado fsico del agua (agua libre) contenida en el acufero. El volumen del agua obtenido por unidad de volumen coincidir, pues, con la porosidad eficaz de la zona saturada.En el segundo caso el mecanismo es diferente al de los acuferos libres y mucho ms complejo, puesto que intervienen otro tipo de acciones. En efecto, el agua extrada de los poros se dilata por descompresin elstica proporcionando una cantidad de agua; por otra parte, la presin intersticial (del agua) en el terreno disminuye, lo cual trae como consecuencia la dilatacin de granos minerales y el estrujamiento de la trama rocosa (a la manera de una esponja) con la consiguiente expulsin de un poco de agua, para hacer frente a la presin constante del terreno sobre el acufero, con lo que ste disminuye un poco su espesor gracias a los efectos elsticos del acufero considerado en conjunto, y ello puede provocar incluso ligeros hundimientos del terreno en superficie en las cercanas de los pozos de bombeo.De esta forma el coeficiente de almacenamiento se define como el volumen de agua que puede ser liberado por un prisma vertical del acufero de seccin igual a la unidad y altura igual a la del acufero saturado si se produce un descenso unidad del nivel piezomtrico o de carga hidrulica. El coeficiente de almacenamiento, representado por S, no tiene dimensiones.

Influencias de las fracturasCon frecuencia, las fracturas son estrechas y extensas, en otras ocasiones son de muy reducida extensin y aisladas, por lo que el movimiento del agua en las mismas es difcil (an cuando la acumulacin de agua en ellas sea importante) y su recarga deficiente.El comportamiento hidrulico de los macizos fisurados depende de una serie de factores:- Esfuerzos tectnicos: condicionan la existencia de todo tipo de fracturas (fallas, diaclasas, exfoliacin, etc.).- Acciones endgenas: dan lugar a diques, filones, intrusiones, etc., que unas veces favorecen y otras impiden el flujo del agua.- Clima: condiciona la alteracin superficial de la roca y la formacin de mantos permeables; tambin, el que las fisuras estn o no rellenas de materiales poco permeables; si las fisuras se llenan de materiales impermeables (arcillas por ejemplo) la permeabilidad del macizo rocoso se ve seriamente afectada.- Erosin: libera sobrecarga, produciendo descompresiones que crean fisuras nuevas y ensanchan las preexistentes.

El movimiento del agua en los terrenos fracturados depende de una serie de factores:- Tipo de fracturas- Frecuencia de las fracturas- Ancho de las fracturas- Orientacin en el espacio de los planos de fracturas

La permeabilidad del material acufero viene muy influida por estos factores, y por la presencia o no de rellenos impermeables o poco permeables (como se dijo anteriormente). Las fracturas son superficies de rotura de paredes ms o menos rugosas y con una cierta anchura media. Aunque no es raro encontrar fracturas de hasta 20 cm de anchura (y a veces ms), lo normal es que no pasen de algunos cm (2-5). Las ms frecuentes son las anchuras milimtricas, a las que se les llama fisuras. A diferencia de lo que sucede en los terrenos muelles, en los acuferos en rocas fracturadas existen superficies piezomtricas virtuales debido a la interconexin de fracturas cada una de las cuales posee un nivel piezomtrico propio. Al igual que suceda en aquellos, se distinguen tambin una zona saturada y una zona no saturada. El movimiento del agua es complejo pero siempre es por la red de grietas interconectadas y a favor de diferencias de carga hidrulica o presin piezomtrica. El flujo en las fracturas estrechas suele ser laminar por lo que es aplicable la ley de Darcy. En estos casos, la superficie piezomtrica es representativa de la energa potencial del agua. En cambio, en las fracturas que poseen una anchura importante el flujo es casi siempre turbulento pues al existir un desage acusado la velocidad del flujo es elevada, superndose fcilmente el valor de la velocidad crtica inferior. En estos casos no es aplicable la ley de Darcy pues es preciso tener en cuenta la energa cintica debida a la velocidad del agua. En las fracturas de anchura muy pequea (algunas decenas de micras o menos) el flujo del agua es muy difcil bajo gradientes hidrulicos comunes. Autores, indican que el movimiento existe tambin en estas condiciones y que est inducido por efectos de la marea terrestre (ascenso y descenso del terreno), lo cual crea un efecto de bombeo pulsatorio. El movimiento del agua en terrenos fracturados es complejo y depende mucho de la orientacin de la red de fisuras y de la inclinacin relativa de unos sistemas con respecto a otros. De esta forma, podemos afirmar que la situacin ms favorable a la circulacin del agua en terrenos fracturados es aquella en la que uno de los sistemas de fracturas (sobre todo si es el principal)comunica con el exterior y se dispone a su vez paralelo a la lnea de recarga descarga (Figura).

EFECTOS DEL AGUA SOBRE EL COMPORTAMIENTO DEL MACIZO ROCOSO EN LABORES MINERASLa diversidad de macizos rocosos en los que se desenvuelven las labores mineras a cielo abierto y subterrneas, hace que se tengan que resolver numerosas situaciones para resolver condiciones geomecnicas que condicionan los proyectos mineros. Entre los problemas principales a resolver (influencia de la litologa y estructura geolgica, riesgos geolgicos, medioambiente, etc.) se encuentran los relacionados con la presencia de agua, pues es uno de los factores que ms incidencia tiene en el comportamiento mecnico de los materiales.

El agua del macizo rocoso reduce su resistencia, genera presiones intersticiales en su interior y altera sus propiedades geomecnicas, dificultando las excavaciones superficiales y subterrneas y poniendo en peligro la estabilidad del macizo. Por ello, las propiedades del macizo rocoso deben evaluarse teniendo en cuenta las condiciones del agua subterrnea y para evaluar su incidencia deben estudiarse esencialmente las propiedades relacionadas con la permeabilidad y con el flujo (Gonzlez et al., 2002), como ya se ha indicado en el apartado anterior.

Elementos y estructuras de control de acuferos

COMPORTAMIENTO HIDRULICO DE MACIZOS ROCOSOS Y SU INCIDENCIA EN MINERAUna vez analizados en detalle los factores que controlan el comportamiento hidrulico del macizo rocoso, dedicamos el apartado final de este captulo a exponer un ejemplo del mismo y su incidencia en labores mineras.En la literatura y en Internet hay numerosas citas de problemas de agua en minera en los que hay numerosas referencias a la hidrulica del macizo rocoso y a su comportamiento frente a las labores mineras.Los temas de inters se clasifican de la siguiente forma (por orden de prioridad):- El agua en el comportamiento de las excavaciones.- Trabajos subterrneos bajo el nivel fretico.- Drenaje del agua- Agresividad y ataque qumico del agua de mina.- Reutilizacin del agua- Trabajos especiales de impermeabilizacin- Aporte de aguas superficiales- Irrupciones acuferas bruscas- Desage de minas abandonadas- Eliminacin subterrnea de aguas residuales- Problemas del agua en las explotaciones de sal- Explotacin por lixiviacin.Toda esta problemtica deriva de:- dificultades para trabajar bajo el nivel fretico.- comportamiento de las explotaciones como "receptores y acumuladores" de agua.- necesidad de eliminar pronto las agua acumuladas en las explotaciones mineras

Por tanto, parece evidente la justificacin de realizar estudios hidrogeolgicos desde el inicio de los trabajos de reconocimiento minero. Estos estudios se apoyan en una serie de tcnicas:- a) Prospeccin geofsica- b) Sondeos de investigacin, utilizables para: reconocer la hidrologa y geometra del acufero realizar ensayos dimensionales para determinar la k emplear trazadores para conocer la direccin del agua- c) Red de piezmetros para controlar la evolucin de niveles durante y despus de la construccin del pozo- d) Sondeos de captacin, utilizados primero para realizar ensayos de bombeo y luego para drenaje.De los resultados de estas tcnicas se derivar el inters de las mismas relacionado con:- determinar los parmetros de los acuferos que condicionan el flujo a travs del pozo- prefijar la interconexin o bien la independencia del acuferoEl agua en las explotaciones subterrneas cobra un especial inters. La relacin profundidad de la mina / agua recibida por la misma hace que sean las minas en profundidades medias (300 a 1000 m) las que presentan mayores problemas de agua.La explotacin de una mina bajo nivel piezomtrico requiere un estudio hidrogeolgico detallado, en el que se contemplen:- Las caractersticas de los acuferos: transmisividad, capacidad de almacenamiento, morfologa, papel de los accidentes estructurales, etc.- Las relaciones de dependencia con las aguas superficiales y con otros acuferos.- Los recursos y reservas hidrulicas, hasta diferentes profundidades de explotacin.- Las caractersticas hidroqumicas.

El proyecto de drenaje se establece en funcin de los datos del estudio hidrogeolgico. Requiere su comprobacin en la propia explotacin para su puesta a punto y perfeccionamiento en funcin de la experiencia adquirida y las condiciones particulares de explotacin.

El agua como factor de riesgo en la estabilizacin de taludes

El control del deslizamiento de taludes se lleva a cabo con una instrumentacin adecuada. La auscultacin u observacin de un talud se lleva a cabo seleccionando las magnitudes a medir, los puntos de medida y los instrumentos adecuados, adems de una correcta instalacin, registro e interpretacin de las medidas.Las magnitudes que se miden habitualmente son:- desplazamientos superficiales- movimientos en el interior del terreno- movimientos de apertura de grietas y entre bloques- presiones intersticiales y sus variaciones

En minera a cielo abierto se pueden mejorar las condiciones de estabilidad de taludes, en especial las referentes a su drenaje, mediante actuaciones hidrogeolgicas adecuadas. Las medidas de drenaje tienen por objeto:- desviar las aguas superficiales, con el fin de lograr su infiltracin y/o estancamiento,- rebajar el nivel piezomtrico, con la consiguiente disminucin de las presiones intersticiales.Hay que tener en cuenta que en el caso de materiales de baja permeabilidad, se requiere un tiempo dilatado para conseguir un drenaje adecuado, una vez puesto en marcha el sistema de drenaje, o pueden obligar a tener que iniciar el drenaje incluso antes de comenzar las labores de excavacin.

Las condiciones de estabilidad del talud mejoran si se rebaja el nivel fretico.Los dispositivos de drenaje ms comnmente empleados son:- zanjas de drenaje (con relleno drenante o revestidas).- pozo de bombeo vertical.- drenes horizontales.- galeras de drenaje.- drenes suplementarios (verticales o inclinados).

Zanja de drenaje en la Verticales de un talud.

Zanjas de drenaje verticales al talud.

Drenaje de taludes mediante bombeo con sondeos verticales en acufero subyacente.

Sondeo vertical de drenaje equipado con control automtico de caudales.

Drenajes Horizontales de taludes y drenajes horizontales en galeras.

Galeras y sondeos de drenaje.

Drenaje inclinado de taludes.

Control del drenaje en taludes mediante piezmetros.Se observa frecuentemente en las obras de drenaje que el caudal evacuado va disminuyendo con el tiempo, con la consiguiente disminucin de la eficiencia del sistema de drenaje, lo que puede deberse a varias causas:- disminucin del espesor saturado del acufero, y por consiguiente disminucin de la transmisividad.- efecto de interferencia mutua entre los drenajes efectuados desde diferentes pozos de bombeo.- efecto de barreras negativas, por presencia de materiales de baja permeabilidad, que compartimentan el acufero.- morfologa y estructura del acufero, con disminucin de la permeabilidad en profundidad (por cierre de fracturas, por ejemplo, debido a la mayor presin de carga del macizo en el caso de rocas fisuradas)- efecto de envejecimiento de los propios sistemas de drenaje.Un sistema de drenaje de taludes est afectado por factores diversos:- a) La recarga de agua, las condiciones hidrogeolgicas del macizo afectado y el tiempo de drenaje transcurrido, afectan al radio de influencia prctico de cualquier dispositivo de drenaje.- b) La permeabilidad local del macizo rocoso incide en el diseo del sistema de drenaje, pues hay que tener en cuenta el interceptar el mayor nmero posible de discontinuidades acuferas (en el caso de acuferos fisurados), o situar el dispositivo en los materiales ms permeables.- c) Las detonaciones de explosivos empleadas en minera a cielo abierto afectan a las condiciones geotcnicas de estabilidad del talud (disminuyndola) pero, en cambio, aumentan la permeabilidad de los materiales al pie del talud (por aumento de la fisuracin, en el caso de materiales competentes), lo que favorece el drenaje del mismo.

- d) La permeabilidad global de los materiales del macizo define el tiempo de respuesta de las presiones hidrostticas a las medidas de drenaje.- e) La conexin hidrulica entre el material a drenar y el sistema de drenaje debe ser adecuada, para garantizar un buen drenaje.- f) La recarga de agua al macizo rocoso debe ser menor que la descarga de agua que sea capaz de garantizar el sistema de drenaje adoptado.

Sistemas de drenaje.Sistemas Piezmetros de control de presiones.