Presentado en el V Seminario Peruano de Geoingeniería.

Por: Gino Calderón Vizcarra, Vale S.A. y Roberto Garro Rosas, Universidad Nacional de Ingeniería.

Resumen 

La recuperación de cobre a través de las pilas de lixiviación es un proceso común utilizado en muchas minas a lo largo del mundo. Existen dos asuntos principales durante la operación de las pilas: el primero es la producción de cobre y el segundo es la estabilidad de los taludes de la pila, la cual es una condición obligatoria para la seguridad de la operación. 

Es evidente pensar que el porcentaje de recuperación de cobre es directamente proporcional a la tasa de riego que es aplicada en el Pad, sin embargo, altas tasas de riego pueden producir la acumulación de solución en la pila, incrementos de presión de poros y consecuentemente, la reducción de la resistencia al corte del ripio, el cual es peligroso junto con la presencia de material de textura fina. 

Este artículo presenta algunas características del flujo de solución, el cual fue obtenido a través de diferentes experiencias en operaciones de pilas de lixiviación en Perú, además de otras investigaciones.

Introducción

La extracción de mineral a través de la lixiviación en pilas es un proceso hidrometalúrgico de bajo costo, bastante utilizado en la minería de cobre. El proceso consiste en el riego de una pila de mineral con una solución ácida. Durante la percolación, se producen reacciones químicas que enriquecen la solución con cobre, la cual es colectada en la parte inferior de la base de la pila a través de un sistema de drenaje interno. En la Figura 1, se muestra un esquema conceptual de una pila de lixiviación de cobre.

Características de una pila de lixiviación de cobre

Una pila de cobre es un medio compuesto de tres fases (sólido, líquido y gaseoso), similar a un suelo natural, por lo que es posible aplicar los principios de la mecánica de suelos. El mineral proviene del proceso de molienda de la mina y su tamaño es especificado en la fase de diseño de ingeniería.

El tamaño objetivo de las partículas no siempre es obtenido durante la molienda, debido a la variación física y de composición mineral de la roca de origen, sin embargo, la operación metalúrgica debe procurar minimizar los desvíos, efectuando muestreos periódicos y realizando los ajustes necesarios en la etapa de molienda.

En la Figura 2 se presenta la variación granulométrica típica del mineral (comúnmente llamado ripio) en una pila de lixiviación.

El proceso de lixiviación produce un cambio en el tamaño de las partículas y, por consiguiente, en la granulometría. Este proceso es llamado decrepitación, la que se produce de manera heterogénea, dependiendo del flujo y del tiempo de interacción. Este proceso es propio de una pila de lixiviación y a diferencia del proceso de intemperismo de los suelos naturales, se produce en un lapso de meses a años.

Otro aspecto importante es la variabilidad espacial de los materiales, típicamente el material se apila en capas de 6 a 8 metros de altura, de manera que se forman extensas plataformas. Debido al gran volumen de material y los diversos orígenes que puede tener, existe variabilidad física y mineralógica, que proporciona heterogeneidad a la pila. Es importante que la operación procure registrar estas variaciones de materiales en un sistema que permita analizar posteriormente las características físicas, que tengan impacto en la permeabilidad y resistencia.

La investigación geotécnica de la pila es funda- mental para poder entender el desempeño de esta durante las operaciones. Algunas de las técnicas más utilizadas son las perforaciones y sondeos CPTu.

Perforaciones

Consisten en la extracción de muestras alteradas e inalteradas a distintas profundidades para la realización de ensayos de laboratorio geotécnico, tales como: contenido de humedad, granulometría, límites de gravedad específica y densidad natural. Asimismo, se realizan ensayos especiales como: permeabilidad y compresión triaxial drenada y no drenada.

Sondeos CPTu

Consisten en el empuje de un cono instrumentado verticalmente en el suelo a una velocidad de 2 cm por segundo, el ensayo se rige por la norma ASTM. Permite obtener la resistencia de punta (qc), la resistencia de fricción lateral (fs) y la presión de poros dinámica (u2). Asimismo, cuando se realizan ensayos de disipación de presión de poros posibilita obtener el t50, tiempo de disipación de exceso de presión de poros, a 50% de la consolidación primaria. Estas informaciones son muy importantes para caracterizar el comportamiento del ripio en cuanto a resistencia, compresibilidad y drenaje.

Características del flujo

El flujo ideal de la solución dentro de una pila de lixiviación debería de ser vertical, manteniendo la solución dentro de la pila el tiempo suficiente para promover la interacción química que permite la mayor recuperación de cobre posible (Figura 4). Para obtener esto se debe evitar que el mineral se encuentre en condición saturada, ya que el aire es un elemento importante en la efectividad de las reacciones solución-mineral. Un nivel freático elevado disminuye la recuperación del mineral y la estabilidad como veremos más adelante.

En la práctica el flujo raramente es vertical y sigue trayectorias variadas (Figura 5), de acuerdo con la permeabilidad de las capas de mineral que son bastante diferentes de acuerdo con su granulometría y estado de compacidad, y que se ven afectadas en el tiempo por causa de la decrepitación y las propias actividades operativas que promueven una compactación local que permita el tránsito de los equipos.

Un factor importante para considerar es la anisotropía por causa del peso propio del mineral que causa que la permeabilidad vertical sea menor que la horizontal, esto promueve flujos horizontales localizados en ciertas zonas, lo cual se verifica con la existencia de seepage en algunas bermas. Esta anomalía afecta la estabilidad local de los taludes.

O’Kane (2002) indica que cuando el mineral está no saturado, los valores de conductividad hidráulica varían según la magnitud de la saturación y de la succión (Figura 6). Otra característica resaltante es que, si el flujo aplicado por irrigación es menor que la permeabilidad saturada del material fino, o sea una baja tasa de irrigación, la mayor parte de la solución fluirá por las zonas de mineral con textura más fina. Si por el contrario, se aplica un flujo de solución mayor que la permeabilidad saturada del material fino, es decir, una mayor tasa de irrigación, la mayor parte del flujo se conducirá por las zonas de mineral con textura más gruesa (Figura 7).

Monitoreo de flujos

Para identificar las áreas saturadas y niveles de agua dentro de la pila se pueden usar instrumentos geotécnicos tales como piezómetros y técnicas de prospección geofísica como la resistividad eléctrica.

Piezómetros

Los piezómetros son instrumentos geotécnicos que miden la presión de poros en un macizo de suelo o roca. En el caso de pilas de lixiviación mayormente se usan los piezómetros de tubo abierto y los de cuerda vibrante tipo Push in. Los primeros consisten en un tubo con una cámara filtrante instalada dentro de una perforación, dentro del tubo se tiene un nivel de líquido que es medido manualmente con ayuda de un pozómetro (Figura 8). Los piezómetros de cuerda vibrante son instrumentos más sofisticados que permiten lecturas con la ayuda de un datalogger que puede ser automatizado (Figura 9).

Dentro de la pila, comúnmente ocurren niveles de solución suspendidos en diferentes niveles. Por esto es recomendable la instalación de piezómetros multinivel (Figura 10) para poder detectar estos espacios que pueden afectar la estabilidad de los taludes, así como también ayudar a la interpretación de los sondeos CPTu. También son importantes para el modelamiento hidrogeológico de la pila

Resistividad eléctrica

La técnica de resistividad eléctrica consiste en el mapeo del material en secciones determinadas, para esto se induce una corriente eléctrica en el terreno, la cual es medida por receptores colocados sobre la superficie en determinadas distancias y en un arreglo predeterminado. Luego estás informaciones se procesan utilizando un software especializado. Para una mejor interpretación es importante que en la sección de análisis se tengan instalados piezómetros. AGI (2015) aplicó esta técnica en una pila de lixiviación en el norte de Chile. Cinco líneas paralelas separadas 10 m fueron ejecutadas. Cada línea consistía de 56 electrodos en el arreglo dipolo-dipolo. Fueron mapeadas las zonas saturadas y no saturadas. Zonas con resistividades bajas fueron asociadas con pobre irrigación y áreas con alta resistividad fueron asociadas como zonas saturadas.

Los piezómetros y la prospección geofísica nos proveen de una fotografía del momento en que se realizan, por lo que es importante mencionar que las actividades de monitoreo deben ser ejecutadas de manera permanente durante la operación de la pila. Asimismo, la gestión del sistema de monitoreo juega un papel fundamental, ya que permite detectar anomalías y activar las alertas y planes de acción respectivos con el fin de garantizar la producción y seguridad de la estructura.

Estabilidad de la pila

La pila debe cumplir los estándares de calidad que garanticen la seguridad de la estructura y la continuidad de las operaciones. Periódicamente y a cada cierto incremento de altura se realizan nuevos estudios geotécnicos que comprenden campañas de investigación geotécnica y análisis de estabilidad. Como resultado de estos estudios tenemos los facto- res de seguridad de la pila y los umbrales de instrumentación geotécnica.

Ensayos de laboratorio

Comprende la ejecución de ensayos de caracterización física y geotécnicos especiales. Entre estos últimos tenemos los ensayos de permeabilidad y triaxiales. Los segundos tienen como objetivo conocer las propiedades de resistencia y deformabilidad del material para su uso en el modelamiento numérico. En los últimos tiempos, la determinación de la línea de estado crítico del material ha cobrado gran importancia, especialmente para conocer los límites de comportamiento dilatante-contractivo del material (Figura 12). Un aspecto resaltante a tener en cuenta es la realización de ensayos triaxiales no drenados para determinar la resistencia no drenada del material que se utilizará en caso se encuentre en estado contractivo en el campo.

Sondeos CPTu

Los sondeos CPTu muestran ventajas respecto a otros tipos de sondeo debido a su repetibilidad y rapidez, además de que permiten caracterizar detalladamente el perfil de sondeo utilizando los parámetros qc, fs y u2 (Figura 14). Robertson (2016) ha definido una carta de comportamiento del material en función del Ic, ecuación obtenida en base a los tres parámetros anteriormente mencionados (Figura 15). También es posible estimar si la región investigada es de comportamiento dilatante o contractivo. También existen ecuaciones para determinar la resistencia no drenada de los materiales, sin embargo, estas ecuaciones no fueran obtenidas con información de ripios y estudios particulares deberían ser realizados, procurando adaptar su uso para pilas de lixiviación.

Umbrales de monitoreo

Para verificar y monitorear la estabilidad de la pi- la, se realizan análisis de taludes por el método de equilibrio límite utilizando las informaciones de en- sayos de laboratorio, sondeos de campo y lecturas de instrumentación.

En condiciones normales de nivel freático, los factores de seguridad obtenidos deben ser superiores a los recomendados en las normas. Como el nivel freático puede cambiar de posición a lo largo del tiempo de operación, es necesario simular estos escenarios elevando la posición del nivel freático hasta que el factor de seguridad sea el mínimo posible que cumpla las normas. Esta última posición del nivel freático, vendría a ser el nivel de alerta y permite asignar umbrales (thresholds en inglés) a los instrumentos. El monitoreo consiste en la lectura periódica de los instrumentos y compararlo con los niveles de alerta para verificar si la pila se encontraría en una condición estable.

Los umbrales definen alertas y planes de acción que deben realizarse en la operación, por lo que es importante que estén actualizados y verificados con un sistema de gobernanza robusto y eficaz.

Conclusiones

Se ha presentado los aspectos importantes para entender el flujo de solución dentro de una pila de lixiviación, así como los principales componentes del monitoreo. Se concluye que los estudios geotécnicos juegan un rol fundamental en la determinación de los umbrales y niveles de alerta para la continuidad de las operaciones de forma segura.

Bibliografía

AGI. 2015. 3D Irrigation Monitoring at a Heap Leach Copper Mine. https://www.agiusa.com/3d- heap-leach-monitoring.

O’Kane. 2000. Demonstration of the application of unsaturated zone hydrology for heap leach opti- mization. O’Kane Consultants Inc.

Robertson. 2016. Cone Penetration Test (CPT) Based Soil Behavior Type Classification System - An Update, Canadian Geotechnical Journal 2016.