Por: Eddy Valencia, Miguel García y Edgar Contreras, Anglo American.

Resumen

Anglo American Quellaveco ha implementado un centro de control geotécnico con monitoreo en tiempo continuo 24h/7d incorporando tecnología basada en interferometría de apertura real y sintética, lo cual permite tener total cobertura de todos los taludes expuestos del tajo y poder identificar movimientos precursores y su evolución durante los trabajos de extracción.

Con la incorporación de este sistema y las mejores prácticas de monitoreo, como discriminar errores en las lecturas, identificación de anomalías atmosféricas y escogiendo periodos de cálculos adecuados, se obtienen datos de calidad que representan el comportamiento tendencial, las magnitudes de deformación y velocidad, permitiendo obtener datos de calidad para la aplicación de pronósticos de falla acertados (precisión y exactitud del 95%). 

Esto permitió gestionar la inestabilidad de la pared norte de la fase 1, que comprometió siete bancos de 15 m de altura cuyo movimiento fue identificado desde el minado del segundo banco expuesto, con el monitoreo y trabajo de campo fue posible circunscribir la influencia del movimiento, determinar el mecanismo de falla, establecer el comportamiento dúctil del talud y su respuesta al minado.

Basados en el pronóstico de falla se implementaron controles operativos (minado y voladura) y cambios de diseño con poco impacto en la recuperación de finos, ello permitió continuar con las operaciones basadas en monitoreo, riesgos controlados y establecer tiempos de respuesta adecuados dentro del protocolo en alertas geotécnicas, evacuar personas y equipos de forma oportuna logrando cero daños.

Palabras clave: Pronóstico de Falla, Inestabilidad, Control Geotécnico. 

Introducción

La compañía minera Anglo American Quellaveco cuenta con un sistema de monitoreo en tiempo continuo que permite la identificación temprana de deformaciones, velocidades y aceleraciones de masa de los taludes del tajo Quellaveco.

Actualmente, durante el segundo año de operación, se ha implementado cinco radares en Quellaveco, tres con tecnología SAR 3D y dos de apertura real (3D-RAR), además se cuenta con el Centro de Monitoreo Geotécnico (CCG) que controla los radares continuamente en un sistema de 24h x 7d los 365 días del año.

Aproximadamente una semana antes del deslizamiento se implementaron los controles en zonas de exclusiones físicas y virtuales (se delimitó la zona de potencial influencia del largo de derrame –45 m– sobre la rampa existente denominada tramo “Tramo 2C”), con el fin que se restrinja el acceso de personal y equipos a la potencial zona inestable.

Anglo American cuenta con umbrales de alerta (condición verde, alerta amarilla, alerta naranja y alerta roja) que disparan un conjunto de acciones dependiendo del nivel de alerta que emite el CCG, esta información se complementa con el pronóstico de falla para gestionar adecuadamente las inestabilidades a escala de banco, interrampa o global que afecten el normal desarrollo de la operación.

El 30 de septiembre de 2022 entre las 17:50 y 18:20 horas aproximadamente se desarrolló la falla de siete bancos entre los niveles 3,555 msnm a 3,660 msnm en el tajo abierto, afectando un área de 14,018 m², deslizándose cerca de 63,085.87 m³ de material.

Luego del suceso se verificó que el talud no continúe en movimiento y la velocidad de deformación se encuentre dentro del rango de umbrales definidos como condición verde para indicar que el talud finalizó con el deslizamiento.

Este documento da una idea de las tecnologías recientes y emergentes para el monitoreo de taludes a cielo abierto, con el fin de gestionar adecuadamente las potenciales inestabilidades que pueden ocurrir durante la excavación del tajo.

Objetivos

Se persigue los siguientes objetivos:

ν Verificar que la metodología desarrollada por Fukuzono (1985 – velocidad inversa) para determinar el pronóstico de falla se aplica a las condiciones del macizo en Quellaveco.

ν Calibrar el modelo de umbrales de alerta en función de los deslizamientos y ajustar estos, si es necesario.

ν Establecer tiempos de respuesta dinámicos basada en el pronóstico de falla para evacuar personas y equipos de forma oportuna.

ν Maximizar la productividad de los equipos con una buena gestión de inestabilidades que permita manejar riesgos y controlados.

ν Discutir los resultados obtenidos y retroalimentar el modelo de ser necesario aplicando esta metodología.

Desarrollo y colección de datos

Radares de apertura sintética y real

El radar Image By Interferometric Survey (IBIS) terrestre de frecuencia modulada de onda continua, utiliza la técnica del SAR y capacidades interferométricas. Tiene la capacidad de monitoreo remoto y detección de movimientos tempranos en taludes.

El radar Groundprobe, de solución táctica y dirigida, el SSR-XT monitorea movimientos que implican una amenaza potencial o inmediata para la excavación de taludes. La gran precisión de su radar de apertura real (RAR) 3D garantiza que las áreas de interés se controlen en tiempo real para gestionar la seguridad de las zonas de riesgo.

El plan de la empresa es mantener una red de monitoreo lo suficientemente robusta para tener una cobertura de control de taludes durante el desarrollo de las fases de minado dentro del plan de 5 años que serán actualizados conforme avanza la ampliación del tajo. Los radares son monitoreados desde el CCQ continuamente con personal entrenado y que ha identificado inestabilidades a escala de banco e interrampa. El CCQ se encuentra físicamente dentro del Integrate Center Office (IOC) que el centro de mando de la autonomía en Quellaveco.

El monitoreo y la estrategia sigue los lineamientos dados en los estándares definidos por la compañía (Mining Geotechnical Engineering – Guidelines, versión 3, 2023).

El Plan de Control de Terreno (Ground Control Management Plan – GCMP, por su sigla en inglés) debe documentar el proceso de cómo la infraestructura geotécnica es diseñada y construida, incluido el proceso de gestión de datos de apoyo (adquisición de datos, validación, evaluación y almacenamiento).

Velocidad inversa

El método de velocidad inversa fue desarrollado por Fukuzono (1985). Se basa en calcular la tasa de deformación (velocidad) y trazar la inversa de la tasa de deformación frente al tiempo (velocidad inversa frente al tiempo). A medida que aumenta la velocidad o tasa de deformación, la inversa tenderá a cero. Esto proporciona un objetivo claro para cualquiera que intente “predecir” o pronosticar el tiempo de colapso para extrapolarlo, ya que se puede usar una regresión en línea recta para encontrar la intersección esperada del eje horizontal. Este intercepto presenta entonces el tiempo esperado de colapso.

Es preciso mencionar que existen otros métodos indicados en la literatura que también tratan de obtener el tiempo de falla, como lo son: el método CUSUM, que fue publicado por Sarunic y Lilly (2006) y el SLO, que fue presentado por Mufundirwa y Fujii (2010).

Calibración de umbrales de monitoreo geotécnico

Cada evento de inestabilidad ayuda a verificar la confiabilidad de los umbrales, si hubiese un deslizamiento que supere los umbrales definidos, estos ayudan a retroalimentar el sistema (ver Figura 5). 

Se debe entender como “superar” los umbrales “traducido” como el tiempo mínimo requerido para evacuar a las personas y equipos cuando existe un cambio entre el umbral, por ejemplo, naranja a roja.

Plan de respuesta de acción inmediata - TARP 

Luego de superar el umbral, se dispara el conjunto de acciones. A continuación se muestra un ejemplo de las acciones a seguir cuando se supera la alerta:

TARP Alerta Amarilla

ν CCG enviará polígonos de la zona segura y riesgo al Builder.

ν El Builder deberá subir los polígonos de zona segura y riesgo al Minestar con los siguientes mensajes de alerta:

“Zona de riesgo”.

“Zona restringida no ingresar”.

“Zona Segura”.

ν Todo el personal debe ubicar la zona geotécnica afectada en el plano de tráfico (TMP), y confirmar si se encuentran o no en el área afectada.

ν Estar atentos ante una posible alerta naranja.

TARP Alerta Naranja

ν El personal de piso expuesto, que labore en la zona de influencia del área inestable debe evacuar, los equipos pesados deberán alejarse de la zona de la línea de fuego.

ν Estar atentos ante una posible alerta roja.

ν Evitar acercarse y transitar por la zona restringida.

ν El tránsito de camiones autónomos se realiza con normalidad y los vehículos tripulados con autorización del centro de control.

TARP Alerta Roja

ν Los equipos dentro de la zona de condición geotécnica deben dirigirse al área segura asignada, fuera del alcance del potencial deslizamiento.

ν El Builder activará las zonas de riesgos y las áreas restringidas en el Minestar.

ν Se restringe el ingreso por la rampa del Tramo 2C para equipos autónomos y tripulados.

ν Las operaciones podrán ser retomadas dentro de la zona de riesgo cuando la condición del talud regrese a verde y sea autorizado por el superintendente de G&H o el Líder Sénior de Geotecnia.

Matriz de comunicaciones

La matriz de comunicaciones para la gestión de eventos indica a quienes les debe de llegar la comunicación de activación de alerta geotécnica en algún sector o el levantamiento de este.

Presentación y discusión de resultados

La zona en mención fue detectada cinco meses antes del colapso mediante un análisis de periodos largos (tres meses), lo que permitió observar movimientos lentos precursores que evidenciaban la inestabilidad, el seguimiento en campo, controles operativos y monitoreo continuo, conducentes a seguir con el plan de minero logrando un avance vertical de cinco bancos adicionales luego de la detección. La investigación geotécnica para identificar el mecanismo de rotura fue continua y consistió en el mapeo de campo y perforaciones geotécnicas.

El tajo Quellaveco esta subdividido en zonas de interés de monitoreo, con la finalidad de identificar rápidamente y brindar un mensaje efectivo de la ubicación. La zona de inestabilidad se ubica en el sector F1N-2.

La información de monitoreo fue cruzada entre las diferentes tecnologías que controlan el sector (Radar RAR, radar SAR y monitoreo topográfico).

Se tenía instalado tres prismas dentro del sector de interés que monitoreaba tridimensionalmente la dirección y magnitud del desplazamiento.

Las gráficas de deformación acumulada de prismas fueron evolucionando en el tiempo, comenzando con movimientos horizontales de mayor magnitud que los verticales para cambiar en los dos últimos meses antes del colapso, el comportamiento evolucionó presentando tendencias lineales para luego acelerar progresivamente.

Los vectores indican una orientación del movimiento hacia el sur y un desplazamiento de mayor magnitud en la parte central que se expande hacia los límites laterales

Los radares circunscriben la influencia real del movimiento y una magnitud de este en la componente de la línea de vista, el mecanismo de falla se definió como mixto donde los límites laterales de movimiento se encajonan en una zona de alto fallamiento y en profundidad por el contacto de alteraciones argílicas y filias.

Para la toma de decisiones se observa las gráficas de deformación acumulada donde se verifica el comportamiento tendencial del movimiento y su evaluación desde las alertas amarillas a rojas.

La evacuación del sector fue circunscrita a la zona de interacción con el colapso (que se estima con análisis de caída de masa/largo de derrame). Se procedió a cerrar las vías adyacentes, se restringió el minado en la parte baja de la inestabilidad y se creó una zona de evacuación segura para los equipos.

La grafica de velocidad es contrastada con los umbrales de velocidad para la activación de las alertas geotécnicas. La alerta naranja fue activada y con ella la evacuación de los equipos del área de exclusión definida (zona de potencial interacción del colapso). Entre la alerta naranja a roja pasaron tres horas, tiempo suficiente para la evacuación de equipos y desde la alerta roja al colapso paso una hora.

El proceso de velocidad inversa es más certero en un estado de aceleración y se va actualizando en periodos de cálculo de una hora para considerar los últimos datos y el comportamiento del sector, el pronóstico de falla fue calculado mediante un ajuste lineal de la velocidad inversa considerando datos de alta calidad (sin interferencia atmosférica). Los resultados indicaron un pronóstico de falla para el 30 de noviembre de 2023 a las 18:05 horas.

El proceso de colapso fue registrado en video donde se observó la evolución del deslizamiento, el cual inicia en los bordes y luego el desplome de la parte central, la falla fue registrada el 30 de noviembre entre las 17:50 y 18:20 horas, que es el periodo estimado por el cálculo de velocidad inversa.

El colapso alcanzó el límite de largo de derrame calculado de 45 m, y las deformaciones fueron entrando a un comportamiento regresivo. El proceso de evacuación realizado con anterioridad fue exitoso lo que es consecuente con las políticas de Anglo American Quellaveco: cero daños durante el colapso.

Las Figuras 16, 17 y 18 muestran que las gráficas de deformación acumulada tienen un comportamiento de desaceleración o regresivo entrando a un comportamiento estable (en equilibrio). Las zonas de menor ratio de desaceleración se encuentran en la escarpa de falla, comportamiento normal en este tipo de mecanismos.

Las gráficas de velocidad también muestran un descenso importante y tienden a cambiar su estado de alerta roja a condición verde, la zona presentó esta condición por siete días luego del colapso, para después entrar en reposo y permitir habilitar las zonas de exclusión activadas en alerta roja.

La Figura 19 muestra el estado de la inestabilidad dos días después del colapso, donde se afectó el tránsito por el Tramo 2D (ruta principal de camiones), restringiendo el transporte a una sola vía, esto dificulta el tránsito de camiones gigantes por lo que fue necesario “limpiar” y recuperar el sector.

Es importante mencionar que toda operación minera debe de conocer el tipo de material y mecanismos de rotura, con el fin de confirmar si la metodología expuesta para estimar el pronóstico de falla es adecuada a su operación. Dado que en este momento los taludes expuestos en su mayoría tienen un comportamiento dúctil y no necesariamente la predicción puede ser la misma en materiales de comportamiento frágil.

Para la limpieza y recuperación del sector, se realizó un protocolo específico que, con supervisión constante y monitoreo geotécnico focalizado, logró rehabilitar la rampa principal a doble vía, continuando con normalidad el tránsito de equipos por el sector.

Conclusiones

1. Cero daños a personas y equipos en la gestión de inestabilidades.

2. Establecer tiempos de respuesta adecuados ante colapsos inminentes, basada en pronóstico de falla y simulacros de evacuación.

3. Toma de decisiones integradas (monitoreo e inspección de campo).

4. Minimizar tiempo de paradas de equipos, sobre la base de riesgos controlados.

5. Mejorar el conocimiento del macizo rocoso, permitiendo realizar análisis retrospectivos más ajustados a la realidad.

6. Integrar los pronósticos de falla en los planes semanales y tomar las contingencias operativas oportunamente.

7. El pronóstico de falla permite gestionar adecuadamente la evacuación de personas y equipos de forma oportuna.

8. El pronóstico de falla es una herramienta de fácil cálculo e interpretación.

Bibliografía

Broadbent, C.D. and Zavodni, Z.M. 1982. Influence of rock structure on stability, Stability in Surface Mining, Volume 3, Society of Mining Engineers, Chapter 2.

Brox, D. and Newcomen, W. 2003. Utilizing strain criteria to predict highwall stability performance, ISRM 2003 – Technology roadmap for rock mechanics, South African Institute of Mining and Metallurgy.

Call, R.D. 1982). Monitoring Pit Slope Behavior, Stability in Surface Mining, Volume 3, Society of Mining Engineers, Chap. 9.

Call, R.D. Cicchini, P.F., Ryan, T.M. and Barkley, R.C. 2001. Managing and Analyzing Overall Pit Slopes, Proceedings, Slope Stability in Surface Mining, (Hustrelid, McCarthur and van Zyl eds.) SME, pp. 39 – 46.

Canmet. 1977. Canada Centre for Mineral and Energy Technology. Pit Slope Manual. Publ. 77-15, Chapter 8, pp. 188. 

Dick GJ. 2013. Development of an early warning time- of-failure analysis methodology for open pit mine slopes utilizing the spatial distribution of ground- based radar monitoring data. M.A.Sc thesis, The University of British Columbia, Vancouver, BC.

Federico A, Popescu M, Elia G, Fidelibus C, Interno G, Murianni A. 2012. Prediction of time to slope failure: a general framework. Environmental Earth Science 66(1):245–256.

Feltus, W. R. 1993. An empirical concept for open pit slope monitoring, in Proceedings of the Australian conference on geotechnical instrumentation and monitoring in open pit and underground mining, Kalgoorlie, Western Australia, 21-23 June 1993 / ed. by Szwedzicki T. - Rotterdam: Balkema, 1993, pp. 149–154. 

Flores, G. and Karzulovic, A. 2001. The Role of the Geotechnical Group in an Open Pit: Chuquicamata Mine, Chile, Proceedings, Slope Stability in Surface Mining, (Hustrelid, McCarthur and van Zyl eds.) SME, pp. 141–152. 

Fukuzono, T. 1985. A new method for predicting the failure time of slopes. Proceedings, 4th International Conference & Field Workshop on Landslides, Tokyo, pp. 145–150.

 Kennedy BA. 1972. Methods of monitoring open pit slopes. In: Proceedings of 13th symposium on rock mechanics, Urbana, pp. 537–572.

Kennedy BA, Niermeyer KE. 1970. Slope monitoring system used in the prediction of a major slope failure at the Chuquicamata Mine, Chile. In: Proceedings of symposium on planning open pit mines, Johannesburg, pp. 215–225.

Kennedy BA, Niermeyer KE, Fahm BA. 1969. A major slope failure at the Chuquicamata Mine, Chile. Min Eng AIME 12(12):60.

Hoek E, Bray J. 1977. Rock slope engineering. The Institution of Mining and Metallurgy, London.

Martin, D.C. 1993. Time Dependant Deformation of Rock Slope'. PhD Thesis, Univeristy of London.

Mercer, K.G. 2007. Time dependent deformational behaviour of usnupported rock slopes, Australian Centre for Geomechanics Newsletter, December 2007, pp. 9–11.

Mercer, K.G. 2006. Investigation into the time dependenet deformation behaviour and failure mechanisms of unsupported rock slopes based on the interpretation of observed deformation behaviour, PhD Thesis, University of the Witwatersrand.

Sullivan, T.D. 1993. Understanding pit slope movements, in Geotechnical Instrumentation and Monitoring in Open Pit and Underground Mining, T.Szwedzicki (ed.), Balkema, pp. 435-445.

Piteau, D.R. 1970. Geological Factors Significant to the Stability of Slopes Cut in Rock. Symposium on the Theoretical Background to the Planning of Open Pit Mines with Special Reference to Slope Stability. A.A. Balkema, pp. 55-71.

Newcomen W, Dick G. 2015. An update to strain- based pit wall failure prediction method and a justification for slope monitoring. Proceedings, Slope Stability 2015, Cape Town, pp 139–150.

Terzaghi K. 1950. Mechanism of landslides. In: Application of geology to engineering practice (Berkey volume). Geological Society of America, New York, pp 83–123.

Zavodni, Z.M. 2000. Time-dependent movements of open pit slopes, in Slope stability in surface mines, Hustrulid and others (eds), SME, pp. 81-87.

Zavodni, Z. M. Broadbent CD. 1980. Slope failure kinematics. Bulletin, Canadian Institute of Mining 73(816):69–74.