Trabajo presentado en el 8° Simposio Peruano de Geoingeniería.

Por: G. Mescua y G. Gómez, ingenieros geomecánicos y W. Ramos, jefe de Geomecánica, Nexa Resources Cerro Lindo.

Resumen 

Este trabajo tiene como objetivo principal la implementación de una herramienta que permita la identificación de zonas de alta carga, a partir de parámetros como datos sísmicos, datos de carga, tipo de apoyo y geometrías para comparar la capacidad energética del apoyo instalado y la demanda obtenida. Estos resultados permitirán la implementación de un soporte adecuado que cubra la demanda nominal, así como la identificación de zonas de altas deformaciones para los próximos periodos mineros.

Situación actual de la sismicidad en Cerro Lindo

Implementación de fase sísmica 1, 2 y 3

La unidad minera Cerro Lindo se encuentra en la provincia de Chincha (Ica). Pertenece a los yacimientos de tipo sulfuros masivos cuya característica principal es la extracción de Cu, Zn y Pb (polimetálico). La extensión del yacimiento es de aproximadamente 2 km y 1 km de ancho, en el caso de la profundización llega hasta un máximo de 1,500 m.s.n.m.

Debido a la topografía el encampane es variado teniendo como máximo un valor de aproximadamente 830 m en la zona del OB6 (ver Figura 2).

A inicios del 2022 se puso en marcha la implementación de la fase 1 y 2 del microsísmico coberturando un 100% del OB6 y OB5B, esto debido a alta ocurrencia de eventos durante los años 2020 y 2021 en razón a la profundización de la zona. 

La cobertura de la fase 1 y 2 en toda la extensión de la mina era del 65%, ya que por la longitud el alcance no llegaba a zonas más lejanas. Ante esta problemática, se realizó la implementación de la fase 3 en 2023.

Actualmente, Cerro Lindo tiene operativas tres fases microsísmicas coberturando las zonas de OB6, OB5B y OB1 a un 100%. La cobertura en toda la extensión de la mina actualmente es de alrededor de 85%, conformada por nueve geófonos triaxiales y nueve geófonos uniaxiales (ver Figuras 3 y 4).

Peligro sísmico asociado a la sismicidad inducida

Después de un periodo considerable desde el 11 de mayo de 2022 al 24 de julio de 2023 (14 meses) con un total de datos de 6,051 eventos normales en toda la mina y 4,540 eventos normales en la zona de cobertura del sistema microsísmico de la fase 1 y 2, se realizó el primer reporte por parte del Institute of Mine Seismology (IMS) de Australia.

Parte de los resultados, definió periodos donde la tasa de eventos había aumentado junto con ello las magnitudes altas de 1.6, 1.7 y 1.5 a un ratio de 600,000 m³ extraídos (ver Figura 5).

En el periodo de marzo de 2023 la tasa de volumen de minado disminuyó debido al fenómeno del ciclón Yaku con incidencia de lluvias y huaicos en la zona de la mina Cerro Lindo no permitiendo la producción planificada. Como una de las referencias, se puede determinar que la cantidad de vacíos acumulados superaron los 600,000 m³, lo que tiene una tendencia a generar altas deformaciones en el OB6 y OB5B. Al visualizar la gráfica de potencia sísmica vs m³ extraídos, de igual manera se verifica un cambio brusco a los 600,000 m³ acumulados, por lo que la deformación que se encuentra asociada a la potencia sísmica sería alta (ver Figura 6).

Para la determinación del próximo evento con potencia sísmica récord se usó estadística de valores de gran magnitud a la distribución de potencia-frecuencia.

Donde N(≥ P) es el número de eventos con potencia sísmica igual o mayor a P, “alpha” mide el nivel de actividad sísmica, “beta” es el exponente y Pmax es el límite superior del próximo evento con potencia sísmica récord.

Por lo tanto, la distribución sería como se muestra en la Figura 7.

Como resultado de la distribución con LogPmin≥- 1.5, se tiene la probabilidad de obtener un logaritmo de potencia sísmica de 1 que equivale a 1.6 Mw sería de 87% en 1 año.

Ante esta situación, era necesario tener un plan de acción en las zonas sísmicamente activas.

Abordando el problema de sismicidad en Cerro Lindo

Diferentes tipos de unidades geotécnicas

La mina Cerro Lindo se caracteriza por ser un yacimiento de tipo sulfuros masivos cuyas unidades principales son: mineral (sulfuros), roca caja (roca volcánica félsica) e intrusiones de diques siendo estos últimos los más jóvenes.

Ante esta categorización inicial se realiza la obtención de muestras y ensayos para verificar la resistencia a la compresión, resistencia al corte, etc. Con el propósito de obtener las propiedades del macizo rocoso.

Los resultados denotaron que dos de las unidades antes mencionadas obtenían valores muy alejados en módulo de elasticidad y resistencia (ver Figuras 8 y 9).

El módulo de elasticidad es la pendiente en la gráfica esfuerzo vs deformación de un material o roca al ser sometido a una carga (ensayo de compresión uniaxial), adicionalmente es el parámetro que determina la rigidez del material, por lo que su valor es directamente proporcional a este.

En consecuencia, se tendría que los diques son muy rígidos en comparación con la roca mineralizada (sulfuros), este comportamiento es clave ante altas deformaciones ya que en ese contexto los diques tendrían un comportamiento frágil (no soportan altas deformaciones) a diferencia del comportamiento dúctil en el caso de los sulfuros.

Por otro lado, la data sísmica de alrededor de 14 meses evidencia la ocurrencia de eventos grandes >1 en zonas cercanas a los diques de tipo “crush type” y/o “fault slip” (ver Figura10).

Esta información nos permite definir zonas sísmicas claves con el objetivo de prevenir eventos en el futuro con niveles de eyección de roca, fallo del sostenimiento y/o pérdida de niveles, infraestructura, etc.

Definición de zonas sísmicas

Teniendo en cuenta las propiedades de resistencia de las unidades, los diques son más propensos a tener un comportamiento explosivo por su fragilidad, por lo que la acumulación de eventos será en torno a estos, de tal manera, que se tienen las zonas sísmicas identificadas en las Figuras 11 y 12.

Al determinar las áreas sísmicas, se puede observar que la zona del OB6 es la de mayor riesgo ya que el 91% de eventos mayores a 1.0 Mw tienen lugar cerca del dique OB6. Por lo tanto, la distribución de la mina sería la que se muestra en la Figura 13, haciendo foco en la zona del OB6 Nv1710-1550 (profundización).

Tipo de sostenimiento en zonas de influencia sísmica

Para llevar a cabo el plan de prevención ante eventos sísmicos en zonas de alto riesgo, se determinó realizar el sostenimiento dinámico alrededor de la influencia del dique OB6, esta influencia viene determinado por el historial de eventos en esa zona con radios de influencia promedio de 50 m (ver Figura 14).

Por lo tanto, la determinación de este sostenimiento tenía como objetivo prevenir eventos sísmicos de gran magnitud en zonas de producción, según el último estudio global de SRK Consulting (2023) el macizo rocoso de Cerro Lindo se encuentra en una categoría Mediana, de acuerdo con la categorización de Thompson y Villaescusa (ver Figura 15).

Esto debido a que la demanda energética del macizo rocoso es de 10 KJ/m², por lo tanto, al tener una capacidad de energía mayor al valor anterior se estaría cubriendo la demanda.

El sostenimiento recomendado es de perno dinámico + malla tejida cuya capacidad energética es de 15.4 KJ/m², cubriendo así la demanda solicitada.

Sin embargo, la estimación del costo del nuevo sostenimiento ha permitido identificar una oportunidad con el fin de implementar una herramienta para obtener la zonificación de altos esfuerzos en base a una secuencia de minado y en la cantidad de eventos obtenidos para optimizar el costo de sostenimiento dinámico.

Implementación de Rockburst Hazard Assessment

Caso particular de aplicación

El proyecto de aplicación de la herramienta Rockburst Hazard Assessment (RBHA) en Cerro Lindo está en curso, sin embargo, mostramos el procedimiento.

La herramienta RBHA está basada en los principios de Diseño de Sostenimiento Basado en Deformación (DBSD; Kaiser and Moss, 2021; Moss and Kaiser, 2021). Permite cuantificar y comparar la demanda impuesta por estallidos de roca y la capacidad del sostenimiento con relación a los daños en la excavación (no en zonas de tajeo o intersecciones) inducidos por la deformación dinámica. La herramienta integra seis conjuntos críticos de información: excavación geometría, propiedades del macizo rocoso, campo de tensiones, datos sísmicos, soporte terrestre, características y observaciones subterráneas con fines de calibración.

Una parte importante es la evaluación conjunta de un caso representativo (e.g. evento histórico que ha causado daño). Luego se establece la información de entrada y se personalizarán los métodos de importación. Con esto la herramienta RBHA se podrá usar para futuras evaluaciones de peligro sísmico.

Los datos de entrada seleccionados son evaluados y, si es necesario, ajustados (calibrados) para producir resultados que sean consistentes con las condiciones actualmente observadas en la mina.

Parámetros de entrada

Se importará la siguiente información en la herramienta RBHA:

ν Planos de la mina: centros de línea diseñados o sólidos (para establecer los nodos en los túneles), fecha y nombre de los túneles y tajos.

ν Propiedades de la roca (UCS): unidades litológicas o modelo de bloques en 3D. Puede incluir fallas con sus propiedades UCS representativas.

ν Modelamiento de esfuerzos.

ν Carga sísmica debido a eventos tipo aplastamiento: Tiempo de fracturamiento (tSB) y deformación o incremento de la profundidad de fracturamiento (dSB).

ν Sostenimiento: zonas, parámetros de soporte.

Ejecución del software

Como demostración de la metodología de evaluación de peligro por estallidos de roca (RockBurst Hazard Assessment or RBHA), se han establecido nodos de túnel para OB6 utilizando los sólidos de desarrollo proporcionados. En la Figura 16 se muestra un ejemplo de los nodos construidos para el nivel cercano a Z = 1720. Cada nodo representa una sección de túnel de 5 m, calculamos valores en cada uno para estimar el peligro de estallido de roca correspondiente (ver Rigby, 2023).

Uno de los parámetros de entrada que requerimos en cada nodo para la implementación de la metodología RBHA es el índice de nivel máximo de esfuerzos estático (SLI). Este se calcula como:

donde UCS es la resistencia a la compresión no confinada, y σ_1p y σ_3p son los esfuerzos máximo y mínimo en el plano, respectivamente. Estos esfuerzos deben determinarse a partir de un modelo de esfuerzos elástico que excluye el desarrollo (es decir, incluya únicamente tajeos). Este modelo se ha construido y resuelto en avances mensuales.

Los valores de σ_1p y σ_3p calculados utilizando el modelo de esfuerzos elástico de solo tajeo se muestran en la fila superior de la Figura 17 para el nivel Z = 1720 en el segundo trimestre de 2023. El resultado final del índice de nivel máximo de esfuerzo estático se muestra en la parte inferior derecha. Se puede advertir que existen fuertes contrastes debido al macizo, la proximidad al tajeo y la orientación del túnel.

Gráfica de demanda vs capacidad

La demanda impuesta por los eventos sísmicos se cuantifica en términos de desplazamiento y energía impuestos sobre el sistema de sostenimiento. Esto se representa por la curva celeste sólida en la Figura 18 (ejemplo de un caso hipotético). Las demás curvas son posibles variaciones debido a la incertidumbre en los parámetros de entrada (i.e. factor de esponjamiento y UCS), los cuales se presentan para cuantificar la incertidumbre y expresar la posibilidad de daño en términos probabilísticos (e.g. factor de seguridad). Las curvas verde, naranja y roja representan de capacidad remanente del sostenimiento para niveles de daño leve, intermedio y grave, respectivamente, para un sistema de sostenimiento dado. Este cálculo se hace para un nodo específico.

Hacer este cálculo para todos los nodos definidos, permite entender qué zonas de la mina están teniendo las condiciones para la ocurrencia de eventos tipo aplastamiento que pudieran causar daño y diferenciar de áreas donde la probabilidad de daño es baja.

Conclusiones

1. La herramienta RBHA permite cuantifica el peligro sísmico para eventos tipo aplastamiento y la posibilidad de daño al tomar en cuenta los parámetros que controlan dichas ocurrencias (e.g. campo de esfuerzos, propiedades de roca, demanda sísmica, sostenimiento, etc.). También es importante la evaluación de deformación histórica en los túneles usando datos sísmicos: profundidad de fracturamiento acumulada. En particular, la herramienta permite cuantificar la demanda sísmica con relación a la capacidad remanente del sostenimiento. Lo que es muy útil para entender qué zonas de la mina requieren un sostenimiento de mejor calidad. 

2. En la mina Cerro Lindo, se ha identificado zonas de altos esfuerzos y carga sísmica, y se está trabajando en entender el rol del factor de esponjamiento y la geometría de minado, así como el sostenimiento que se viene utilizando.

Bibliografía

A Moss and PK Kaiser. 2021. An operational approach to ground control in deep mines. Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering, 14(1):67–81. 

A Rigby. 2023. Cerro Lindo: Calibración del modelo numérico usando sismicidad observada. Technical report, Intitute of Mine Seismology.

D Malovichko and A Rigby. 2022. Description of seismic sources in underground mines: Dynamic stress fracturing around tunnels and strainbursting. arXiv preprint arXiv:2205.07379.

F Calixto. 2023. Peligro sísmico asociado a la sismicidad inducida en mina Cerro Lindo (Nexa). Technical report, Intitute of Mine Seismology.

Institute of Mine Seismology, Australia. 2023. “Peligro sísmico asociado a la sismicidad inducida en mina Cerro Lindo (Nexa)”.

PK Kaiser and A Moss. 2021. Deformation-based support design for highly stressed ground with a focus on rock-burst damage mitigation. Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering, 14(1):50–66.

PK Kaiser and D Malovichko. 2022. Energy and displacement demands imposed on rock support by strainburst damage mechanisms. Proceedings of the 10th Symp. on Rockburst and Seismicity in Mines (RaSiM10).