V Jornada Técnica ALHSUD 2017

Desafíos en Modelación
Hidrogeológica para
Minería Rajo Abierto

Beatriz Labarca
Hidrogeóloga
blabarca@srk.cl

30 agosto 2017
 Objetivo

• Dar a conocer metodologías para

desarrollar estudios de Hidrogeología
en Minas de Rajo Abierto

• Plantear algunos desafíos en temas

de Modelación Conceptual y
Numérica

Hidrogeología
 Temas a tratar
• Introducción- Conceptos Básicos

• Caracterización Hidrogeológica en
sistemas fracturados

• Modelación Hidrogeológica de Rajos

• Desafíos

Hidrogeología
 Introducción - Conceptos
Básicos

Hidrogeología
 Medios Fracturados
La permeabilidad esta dada por
discontinuidades geológicas
• Estratificación
• Foliación (rocas metamórficas)
• Fracturas
• Zonas de cizalle en fallas

• Permeabilidad Primaria: Permeabilidad adquirida

en la orogénesis de la roca (estratificación,
foliación, amígdalas, vesículas, etc.)

• Permeabilidad Secundaria: Permeabilidad

adquirida por procesos posteriores (erosión,
fracturamiento, fallas, alteración, etc.)
 Fundamentos Teóricos
Medio Poroso

Isótropo, homogéneo y
cumple la ley de Darcy

Medio Fracturado
Heterogéneo,
anisótropo, controlado
por la permeabilidad de
las discontinuidades

Ref: Beale & Reed, 2013

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 Compañía Divisiones Nombre Rajo Región
DSAL Rajo Inca Copiapó
DCHU Rajo Chuqui Antofagasta
DAND Rajo Don Luis Valparaíso
Codelco DET Rajo Sur Bdo Ohiggins
DMH Rajo MH Antofagasta
DRT Rajo Tomic Antofagasta
DGM Rajos GM Antofagasta
SCM El Abra El Abra
Escondida Rajo Escondida, Rajo NE Antofagasta
BHP Billiton Cerro Colorado Tarapacá
Spence Antofagasta
Los Bronces Rajo Donoso-Inifernillo Metropolitana
AA
El Soldado Valparaiso
Rajo Rosario Tarapacá
CMDIC
Rajo Ujina Tarapacá
Rajo Maricunga Copiapó
Kinross
Rajo Coipa Copiapó
Quebrada Blanca Tarapacá
Teck
Carmen de Andacollo Coquimbo
MLP Coquimbo

Minería AMSA
Centinela
Encuentro
Rajo Esperanza, Rajo Tesoro,
Rajo NE, Rajo Mirador
Rajo Oxidos
Antofagasta
Antofagasta
Rajo Antucolla
Michilla
Antofagasta
Antofagasta

Abierto Zaldivar
Los Colorados
Romeral
Antofagasta
Copiapó
Coquimbo
en Chile CAP
Algarrobo
Cerro Negro Norte
Copiapó
Copiapó
MLCC Rajo Caserones Copiapó
Manto Verde Copiapó
Mantos Copper
Manto Blanco Antofagasta

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 Hidrogeología de Mina
Debe asegurar una condición lo mas seca y despresurizada posible
pues la ocurrencia de agua influye en
1) Diseño del ángulo de los taludes y de su estabilidad geotécnica
1) Se deben usar explosivos para condiciones húmedas, lo que
incrementa costos de operación
2) Se genera desgaste de equipos (camiones/neumáticos, palas,
etc)
3) Condición insegura de transito de camiones
4) Pérdida de eficiencia en el proceso de obtención del mineral por
contenido de humedad en el material
5) Riesgos ambientales en zonas aledañas por descensos de los
niveles generados por la excavación y drenaje de la mina
6) Contribuir con el abastecimiento de agua a los procesos de la
mina (agua para abastecimiento)

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Hidrogeología de Mina
HIDROGEOLOGÍA
MINA (OP)

OPTIMIZACION SUMINISTRO DE
GEOMECANICA AGUA PARA EL
TALUDES PROCESO

OPTIMIZACION
COSTOS
EXPLOTACION

($)
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 Hidrogeología / Geotecnia
Relación entre Presión de Poros y Resistencia al
Corte en un macizo Rocoso

Ley Mohr-Coulomb
Presión de poros es la
τ σ ϕ c única variable que se
puede controlar
τ : resistencia al corte o cizalle
σT : estrés normal total
p : presión de poros
Φ : ángulo de fricción interna
c : cohesión Despresurización es la única
medida factible para optimizar
estabilidad de taludes

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 Caracterización
Hidrogeológica

Hidrogeología
Caracterización
Hidrogeológica del sistema
Objetivo caracterizar la permeabilidad del medio

Determinar la ocurrencia de agua en el macizo de

roca (nivel o presión)

Determinar patrones de control de flujo (dirección):

• Sistema con vías preferenciales de flujo
• Sistema compartimentalizado
• Sistema Mixto
• Sistema Homogéneo

La respuestas están en la GEOLOGÍA

 Modelo Geológico
Litología Alteración

En vetas
Diseminado por reemplazo
Mineralización
Mineralización primaria/secundaria (enriquecimiento)
Mineralización con óxidos, súlfuros de metales
Mineralización con carbonatos, sulfatos, no metálicos
 Modelo Estructural
Modelo Estructural – buena
correlación con la hidrogeología
• Fallas regionales
• Fallas secundarias
(orientación (rumbo/mateo) y
distribución)
• Fracturamiento del macizo
• Dominios estructurales

Compartimentalización o
Conducción de las Aguas
 Modelo Geotécnico
Modelo Geotécnico buena correlación con la
Hidrogeología
• Mapeo geotécnico RQD y FF
• Orientación de fracturas
QBarton – (Barton 1974)
• Caracterización del relleno de fracturas:
apertura, persistencia, espaciamiento,
rugosidad, tipo de relleno
• Tamaño de bloques
• Ensayos geotécnicos(resistencia de la
GSI – (Hoeke 1994)
roca intacta)
• Ocurrencia de agua
• Clasificación geotécnica

RQD- FF- RMR – GSI – Q Barton

 Tipos de Perforación
Diamantino (DDH) Aire Reverso Rotación Lodo o
(RC) Rotopercusión
Descripción Buena descripción Sólo descripción Buena descripción
Geología geológica/geotécnica Litológica, geológica
Muestreo geotécnico Mineralización,
Alteración. No hay
datos geotécnicos
Control No se puede Se controla Se controla
Ocurrencia de identificar zonas de directamente la indirectamente
Agua aporte pues se ocurrencia de (viscosidad) la
perfora con lodos agua ocurrencia de
agua
Permeabilidad Lugeon Airlift / Slug (rising Bombeo, airlift
o Falling), Bombeo
Instalación de Cuerdas Vibrantes Cuerdas Vibrantes Casagrande y
piezómetros previa limpieza del y Casagrande pozos de drenaje
pozo (polímeros)
Diámetro HQ, HQ3, BQ, NQ 5 ¾”, 7 7/8”, 9 ¼” Cualquier
diámetro
 Permeabilidad
Sistema Homogéneo Sistema Discreto

K ~ 1 m/day K ~ 10 m/day

T = 460 m2/day Espesor

saturado
~ 380 m
Zona ingreso
de agua
~ 40 m (?)
Permeabilidad
• Pruebas de Slug
• Pruebas de Bombeo
• De larga duración para estresar el
sistema y evaluar los efectos y bordes
del sistema
• Pruebas de Packer
• Caracterizar macizo de roca
• Caracterizar fallas o zonas de fracturas
• Pruebas de Airlift, recuperación
• Ensayos de Laboratorio en testigos
 Nivel / Presión de Poros
• Presión del agua subterránea que ocurre en los
espacios porales de una roca o suelo.

• En un punto por debajo del nivel de agua, la

presión de poros es el resultado del peso de la
columna de agua que actúa en ese punto
debido a la interconexión entre granos o
fracturas.

• PP > 0 (positiva) por debajo del nivel de agua

• PP = 0 equivale al nivel del agua
• PP < 0 (negativa) sobre el nivel de agua
 • Pozos Abiertos
Nivel / Presión • Pozos Casagrande
• Pozos con Cuerdas Vibrantes

Pozos Bombeo Pozos Observación Multi-piezometros Cuerdas

Vibrantes

Dato
DL FL EL
Confiable

Baja Confinaza
confianza media, pues
por pérdidas representa la
de carga combinación
de zonas

Nivel de Agua se considera freático

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 Ejemplo
P1 OBS 3A y B en macizo

OBS-3C Niveles en DER-39 A y B

OBS 3 Falla NS
Niveles en DER-39C

Caudal en P1 + P2

P2

En el pozo OBS 3 hay 3 sensores de CV

Pozo P1 y P2 son de drenaje.
El sensor C esta en conexión hidráulica directa con el bombeo a través de una falla.
 Nivel / Presión
• Ocurrencia de agua: profundidad en la que se alumbra del agua en un sondaje.
• Nivel piezométrico: profundidad del agua en equilibrio con la presión atmósférica.
• Despresurización: Reducir el nivel piezómetrico hasta la profundidad de ocurrencia de
agua mediante algún método de captación.
• Drenaje: Reducir la presión del sistema subterráneo por debajo de la profundidad de
ocurrencia de agua
a. Sin Drenaje b. Despresurización c. Drenaje
por bombeo por bombeo

Nivel
Piezométrico

Reducción Nivel
Carga Piezométrico
Confinada
Nivel
Ocurrencia
Agua Reducción nivel
Ocurrencia
Aporte de Agua
agua
subterránea

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 Medio Fracturado
Sección tipo en Talud

Ref: Beale & Reed, 2013

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Modelación Hidrogeológica
 Modelación Hidrogeológica

Input para
Definición
Captura de Construcción Calibración Estudios
del Objetivo Modelo
Datos en Modelo Modelo Predicción Ambientales,
y Nivel de Conceptual
Terreno Numérico Numérico Geotécnicos,
Ingeniería
Capex, Opex
 Modelo Conceptual
• Revisión Modelo Geológico (Lito, Alteración,
Mineralización)

• Revisión Modelo Estructural (Dominios, Fallas)

• Revisión Modelo Geotécnico (RQD, FF, RMR, GSI, etc)

• Revisión Plan Minero y Diseño del Rajo

• Revisión Niveles/Presiones (Piezómetros Casagrande,

Cuerdas Vibrantes, Horizontales)

• Revisión parámetros Hidráulicos (Lugeon, Slug, Airlift,

Pruebas de Bombeo)

• Revisión Recarga (Balance Hídrico, conexión otras

cuencas, Infraestructura, Relación con Aguas
Superficiales: Vegas y Bofedales)

• Revisión Dewatering y Medidas de Manejo de Agua

 Modelo Conceptual
Vista corte 2D
 Drenaje vs Despresurización
Objetivo: Mantener el nivel de agua lo
mas alejado posible del talud
reduciendo la presión de poros.

Para ello existen varias opciones de

drenaje/despresuización
• Drenes
• Pozos
• Túneles
• Excavación
• Bombas
 Modelación Numérica
• El tipo de representación numérica depende del
tipo de información disponible para poder
sustentar el modelo
• Sistema Poroso Equivalente Modflow
• Grillas no estructuradas
• Sistema discreto con representación
detallada de estructuras Feflow
• Sistemas parcialmente saturados
• Grillas abatibles (Minedw)

SE DEBE MODELAR EN 3D
 Por que en 3D?
• En 2D el flujo debe ser paralelo a la
S1
sección modelada
S2
• La información se proyecta hacia la
sección y no es rigurosa pues el
S3 sistema es discreto (no
S4 homogéneo)
• No es posible representar efectos
del drenaje en 3D y por lo tanto es
muy complejo calibrar – “artilugios”
numéricos
• Lo correcto es construir y calibrar
un modelo en 3D que luego obtener
secciones en 2D.
 Desafíos en Construcción
• Representar en caso que se distingan unidades
básicas: cobertura granular, rx secundaria, rx
primaria, estructuras.
General Detalle
• Estructuras explícitas? Compartimentalizan o
conducen el agua?
• Existe buena correlación con unidades geotécnicas,
pero estas deben ser distinguibles
hidrogeológicamente.
• Anisotropía de las unidades Kx – Ky - Kz
• Condiciones de borde alejadas del cono de depresión
generado por la excavación del rajo y por el drenaje
en el largo plazo
• Definición de Recarga
 Desafíos en Construcción
• Representación de la excavación del rajo
(topografía variable en el tiempo) a nivel de
Bancos (15 m – 30 m)
• Modflow – Drain
• Minedw – Abatimiento de grilla
 Desafío de Calibración
• Calibración de gradientes hidráulicos verticales
medidos en cuerdas vibrantes (ascendentes y
descendentes)
• Efecto de las obras de drenaje (pozos, drenes,
caudal activo)
• Representación de caudal pasivo
• Conceptualización de halo por tronadura
• Ancho del halo 30 – 50 m?
• Cambio de la permeabilidad
• Descenso de la presión de poros por pérdida de
carga litoestática. Se genera deformación /
relajación del macizo. Esta despresurización es
mayor en los sistemas de baja permeabilidad y
escasa recarga.
 Desafíos Predicción
• Se realiza para corto, mediano (quinquenio) y
Largo Plazo (LOM), excavación rajo
• Se simulan obras futuras para drenaje:
construcción de pozos, drenes, zanjas, piscinas.
• La ubicación de pozos de drenaje-
despresurización y puntos de control
hidrogeológico tiene muy corta vida útil, pues la
mina es muy dinámica.
• Escasa información de evolución del sistema
• Se genera input para modelos de estabilidad
geotécnica – Hidrogeología Operativa
 Hidrogeología Operativa
para Geotecnia
• Se debe tener un modelo hidrogeológico
calibrado que de cuenta del funcionamiento
hidrogeológico.
• Se recomienda calibrar anualmente (al menos)
• Los resultados de las predicciones del modelo
deben ser validados frecuentemente con los
datos de terreno medidos en forma operacional.
• Esta piezometría / distribución de la presión de
poros debe ser integrada a los estudios de
estabilidad geotécnica para asegurar la
condición segura del talud.
• Permite tomar decisiones respecto a obras de
despresurización en ciertas zonas específicas
 Sensibilización
• Permite determinar cuales son los parámetros de
mayor relevancia en el modelo para la
calibración y para la predicción.

• Una variación del valor calibrado en el modelo

puede generar cambios significativos en los
resultados.
 Incertidumbre
• Los modelos no son absolutos, ni se resuelven
con una única solución.
• Las predicciones pueden ser significativamente
distintas con una solución u otra.
• La incertidumbre permite determinar el rango de
variabilidad de los parámetros que permiten
tener una calibración satisfactoria del modelo.
• Permite conducir los esfuerzos técnicos para
obtener información de terreno en aquellos
parámetros que tienen mas incertidumbre y que
son relevantes para las predicciones.
 Incertidumbre
• Metodología
• Utiliza metodología Null Space Montecarlo.
• Considera que un modelo numérico puede tener
“N” soluciones, si se combinan en forma
aleatoria los parámetros con ciertos rangos de
variablidad aceptable dentro de lo conocido.
• Se corren N modelos y se determina si estos
calibran respecto de las observaciones en
estado transiente. PEST
• Se seleccionan aquellos modelos que calibran y
se evalúa la incertidumbre de cada parámetro
para los escenarios predictivos.
Incertidumbre sobre Nivel
Freático

Rajo
 Conclusiones
• La información de terreno debe ser tomada
considerando que se trata de un sistema discreto
no homogéneo.
• Las presiones de poros deben ser monitoreadas
para controlar gradientes horizontales y verticales
- cuerdas vibrantes.
• La modelación conceptual debe estar sustentada
en lo que hidrogeológicamente se distingue.
• Lo complejo de estos sistemas es asegurar la
despresurización del macizo en zonas críticas
pues esto influencia la

ESTABILIDAD GEOTECNICA de los TALUDES

 Conclusiones
• El agua a extraer con pozos, bombas, piscinas,
etc., es un tema hidráulico operativo.
• La modelación numérica debe hacerse en 3D de
modo de representar los efectos de las obras de
despresurización y drenaje.
• La conceptualización de el daño por tronadura es
sensible en la despresurización de los taludes.
• Es recomendable hacer análisis de incertidumbre
y sensibilización numérica.
• Los efectos de despresurización por pérdida de
carga litoestática pueden ser relevantes.
Gracias

blabarca@srk.cl