Flujo de drenaje ácido

Principales orígenes del drenaje ácido

¿Cuál es el origen del drenaje ácido? En este fragmento de texto, extraído del “Curso de Hidrogeología aplicada a minería“, te explicamos todos los detalles de este fenómeno que se da con frecuencia en minería.

Drenaje Ácido

En esta sección se describen los principales orígenes del drenaje ácido, en la medida que éste es un gran generador de contaminación ambiental de las operaciones mineras metálicas o que generan drenaje ácido sin serlo, como en el caso del carbón. A lo largo de la sección se indican aquellas partes que también son relevantes para otros tipos de minería. En la Figura 4‑9 se resumen los principales pasos y procesos de la minería metálica hasta la metalurgia y obtención de metal concentrado / refinado, y los resultados críticos en la generación de drenajes tanto ácidos como neutros y salinos susceptibles de generar contaminación.

Drenaje ácido esquema

Figura Principales fases de la metalurgia en la minería extractiva y su implicación en la generación de drenajes (ácidos, salinos o neutros, INAP, 2009)

Minas a cielo abierto

Como hemos visto en el bloque correspondiente, la minería a cielo abierto puede alterar las condiciones del agua superficial y del agua subterránea. Puede ser necesario desviar las aguas superficiales o las actividades de desagüe para rebajar el nivel del agua subterránea para acceder al mineral. Las fracturas generadas durante la voladura alteran las propiedades hidráulicas de la roca encajante y pueden cambiar significativamente la dirección y magnitud del flujo del agua subterránea. La calidad del agua superficial y subterránea también puede verse afectada. Las actividades de desagüe y voladura pueden exponer los sulfuros al oxígeno atmosférico, iniciando la oxidación y la generación de ácido.

La Figura 4‑10 ilustra esquemáticamente las vías principales del agua y las reacciones geoquímicas que ocurren dentro de una mina a cielo abierto durante la fase operacional. Cuando son necesarios, los pozos de desagüe se ubican alrededor del perímetro de la fosa para rebajar el nivel freático y trabajar en los bancos con mayor estabilidad geotécnica y en condiciones más seguras (secas). Igualmente, cuando es necesario, se bombea directamente desde el fondo del pit hacia el exterior, mediante bombas de achique. La precipitación que cae dentro de la zona de captura del pit se convierte en escorrentía de la pared, o se infiltra en la zona no saturada. La infiltración fluye hacia el nivel freático o sub-superficialmente hacia la pared del rajo, donde se descarga como filtración. En este contexto, las fracturas permeables y los túneles históricos de la mina proporcionan vías preferenciales para el flujo del agua subterránea y pueden crear una zona de depresión del agua subterránea alrededor del pozo.

Ciclo drenaje ácido

Figura – Esquemas del balance de agua en una mina a cielo abierto en operación y cierre y las partes implicadas que participan de la generación de drenaje ácido (INAP, 2009).

La calidad de la escorrentía de la pared y del flujo de agua subterránea al rajo es una función de la composición y la reactividad de las rocas que estas aguas encuentran y el tiempo de contacto. Los sulfuros expuestos al oxígeno atmosférico en las paredes de los tajos o las fracturas por explosión se oxidan, causando la generación de ácido. Por lo tanto, si el tajo debe llenarse y regenerarse después de que se complete la extracción, y si la extracción avanza lateralmente como en una mina de carbón superficial, el proceso de relleno debe coordinarse con la excavación para minimizar la cantidad de tiempo que los sulfuros minerales están expuestos.

La disolución de los materiales tampón, cuando están presentes, puede neutralizar la acidez de la solución. Durante los períodos secos, la evaporación del agua acumulada en los sumideros o en las irregularidades del rajo, resulta en la acumulación de minerales secundarios. Estas fases minerales solubles se disuelven durante los eventos de tormentas y pueden liberar metales, sulfato y acidez, dependiendo de sus características.

En la fase de cierre o clausura, al cesar el bombeo, el nivel freático tiende a recuperar su posición inicial, generando un lago dentro del rajo, del inglés “pit-lake”. Este lago no recupera totalmente el nivel inicial, debido a que la mayor exposición a la atmósfera, genera una evaporación que no existía con anterioridad y generalmente el nivel final es algo inferior al nivel natural. Este nivel en todo caso fluctúa estacionalmente como cualquier otro lago. En situación de extrema aridez y de bajos aportes de agua, puede darse la situación de que no se forme lago, cuando las salidas por evaporación superen las entradas.

En situaciones húmedas, con el tiempo, el lago llegará a desbordar, generando un curso de agua superficial más o menos constante, cuya calidad debe controlarse.

La composición química del agua es el resultado de la interacción con la zona expuesta de las paredes de la mina. Por tanto, y si hay sulfuros, las condiciones de acidez están prácticamente garantizadas (Figura 4‑11). Si el agua contenida en el pit no tiene únicamente salida por evaporación, sino que desborda y vierte en la red hidrológica superficial o tiene salidas subterráneas, el impacto aguas abajo pude ser muy importante. Una medida para evitar esta acidez o para minimizarla, es acelerar el relleno del pit y la formación del lago y disminuir así la cantidad de oxígeno disponible para la reacción. Se pueden consultar más detalles sobre la hidrodinámica e hidroquímica de los pit lakes en Geller and Salomons (1998), Castendyk and Eary (2009), y Bowell (2003).

Drenajes ácidos

Figura – Imágenes de dos pit-lakes con aguas muy ácidas en Sao Domingos (Portugal) y Río Tinto (España). Fotos Amphos 21, cortesía de D. Arcos.

Minas subterráneas

Como se ha indicado en bloques anteriores, la minería subterránea generalmente incluye voladura, desescombro (excavación), acarreo y donde se usa un pozo (shaft), transporte en vertical de estériles y mineral a la superficie. Donde se empleen, los métodos de minería de excavación por hundimiento (block caving) pueden crear una gran masa de roca fracturada sobre los trabajos subterráneos principales. En algunos casos, la zona de fragmentación puede extenderse hasta la superficie del suelo. Las propiedades físicas y químicas de esta gran masa de roca fracturada pueden ser similares a las propiedades de la roca estéril.

Al igual que en la minería a cielo abierto, las actividades de desagüe son típicamente necesarias para eliminar el agua subterránea del funcionamiento subterráneo, comúnmente mediante el uso de pozos de desagüe y bombas de sumidero. En algunos casos, se puede construir un túnel de drenaje por debajo del nivel de extracción que permite el drenaje por gravedad del agua subterránea hasta la superficie. La minería expone los sulfuros presentes en las paredes de las minas o las fracturas por explosión al oxígeno atmosférico que ingresa al trabajo subterráneo a través de los ejes y otras aberturas que se cruzan con la superficie terrestre. Los trabajos subterráneos, así como las pilas de mineral y residuos generadas por la minería, son una fuente potencial de DAR.

Las zonas preferentes de flujo derivadas de y las reacciones químicas típicamente asociadas a la minería subterránea se muestran en la Figura 4‑12. El régimen de flujo que afecta una mina subterránea puede ser tanto de origen sub-superficial y estar muy ligado al régimen pluviométrico local, como ser muy profundo y no estar directamente ligado a ello: en general, cuanto más profundos sean las operaciones, más desligadas estarán del régimen local de precipitaciones.

La composición química del agua subterránea es una función de la composición del agua, de la roca y de su reactividad, así como del tiempo de contacto que exista entre ambas. La oxidación de los sulfuros expuestos en los trabajos subterráneos (paredes de la mina o fracturas por explosión) da como resultado la acumulación de productos de oxidación de sulfuro, ya que durante la fase operacional se mantiene un flujo constante de oxígeno a través del sistema de ventilación, resultando en un drenaje ácido equivalente al que se ha explicado para operaciones a cielo abierto. La composición del agua también se verá afectada por los materiales que se almacenen en los túneles y galerías y enteren en contacto de un modo u otro con ella. De igual modo, si se utilizan materiales para relleno de la mina al cierre, como material de préstamo, relaves espesados, estériles de mina, etc., también serán susceptibles de cambiar la composición del agua de drenaje. Durante la operación, la mina funciona como un gran sumidero, aunque ocasionalmente puede tener partes que descarguen al sistema hidrogeológico y la afección está generalmente bastante controlada pues el agua se puede tratar como un vertido a la salida del bombeo.

Tipos de drenajes ácidos

Figura – Esquemas del balance de agua en una mina subterránea en operación y cierre y las partes implicadas que participan de la generación de drenaje ácido (INAP, 2009).

 

Al final de la vida operativa de la mina y sobre todo, al cese de las actividades de bombeo, el ascenso de niveles freáticos inunda los túneles, galerías y pozos de acceso, que se convierten en zonas de flujo preferente para la circulación de agua. Las zonas derrumbadas y de fractura son zonas también de alta permeabilidad. A medida que el nivel de agua accede a más zonas donde hay productos de la oxidación de sulfuros, se liberan sulfatos, aumenta la acidez y se disuelven metales. A medida que aumenta el nivel freático, la antigua mina subterránea progresa desde un sumidero de agua subterránea a una zona de tránsito donde la composición química cambia profundamente y que acaba descargando en el sistema hidrológico, superficial, subterráneo o ambos.

Botaderos de rocas

Un botadero de rocas es la acumulación de los estériles de mina que se deben excavar para acceder al mineral. Se suelen transportar y acumular cerca del propio rajo o mina subterránea para ahorrar costes de transporte y en ocasiones pueden tener dimensiones de algún centenar de metros de altura y varios kilómetros cuadrados de extensión.

botaderos de rocas

Figura. Imagen satélite de un botadero de rocas en condiciones de aridez. Obsérvese por relación de escalas el tamaño. La altura puede llegar a ser de más de un centenar de metros.

Los fragmentos de roca suelen tener tamaños muy heterogéneos, con lo cual suelen ser muy permeables, con cierta anisotropía debido a la interestratificación que viene determinada por el modo particular de disposición y crecimiento. Esta interestratificación tiene una inclinación promedio de 35º. Este método de crecimiento genera las siguientes estructuras de flujo preferente que condicionan el movimiento del aire y del agua dentro de cuerpo del botadero:

-Zonas discretas con muy poco material granular entre los fragmentos de roca

-Zonas en pendiente entre estratos de material muy fino y muy grueso

-Zonas internas de baja permeabilidad debidas a la compactación por el tránsito de camiones de gran tonelaje.

fuentes de drenaje ácido

Figura. Fuentes de drenaje (ácido, neutro o salino), zonas de flujo preferente y elementos de caracterización de la hidrología de botaderos (Amphos 21, cortesía D. Arcos).

Desde el punto de vista de la física de la gestión del residuo, este método es adecuado y no reviste grandes complicaciones más allá de la ocupación de espacio. Sin embargo, debido a que son materiales de alta permeabilidad y que pueden contener sulfuros, si se exponen a la infiltración del agua de lluvia son potenciales generadores de drenaje ácido de una gran magnitud. Debido al tamaño de los botaderos y de su estructura interna, pueden funcionar como pequeños acuíferos en los que el drenaje del agua va a parar al sistema hidrológico natural.

Para evitar que la descarga del agua de los botaderos tenga un impacto sobre el medio receptor, hay opciones para encapsular los materiales más reactivos con materiales neutralizantes, bien provenientes del propio rajo o externos. Ello implica una correcta caracterización geoquímica y mineralógica que suele estar presente en el modelo de bloques de la mina, la integración del plan de minado (cómo progresa la excavación de materiales) y la gestión del botadero. Es un ejercicio no exento de dificultades, debido a que se tienen que compaginar resultados a corto plazo (obtención del mineral) con resultados a medio (gestión del crecimiento de los botaderos) y largo plazo (impacto ambiental en el medio hidrológico).

De forma similar, los acopios de mineral (ore stockpiles) pueden generar drenaje si se acumulan durante mucho tiempo. Dado que su procesamiento puede depender tanto de la ley como del precio del metal en un momento dado, pueden llegar a acumularse durante mucho tiempo, especialmente los de baja ley, lo que resulta en la práctica en el mismo efecto que los estériles de mina.

Tranques de relaves

Los tranques o presas de relaves, o diques de colas son las instalaciones donde se depositan de forma permanente los residuos del procesado de mineral para producir concentrado, los relaves.

Los relaves son los materiales resultantes del procesamiento del mineral y se descargan a las instalaciones de almacenamiento en la superficie por varios métodos, que incluyen lodo subaéreo, lodo subacuático, pasta y deposición seca (Figura 4‑16). Los métodos de transporte y eliminación están en función del contenido de agua de los relaves (por ejemplo, los relaves espesados y en pasta pueden desecharse mediante transporte por tubería, mientras que los relaves completamente desecados se eliminan mediante métodos de deposición en seco, incluido el uso de transportadores y camiones) y la topografía y ubicación de la presa de relaves (Figura 4‑17, Figura 4‑18). Los relaves pueden segregarse por tamaño de grano (por ejemplo, uso de ciclonación para separar la fracción de arena de los lodos) antes de la descarga. En comparación con los estériles de mina, los relaves son homogéneos con una distribución más consistente de minerales generadores de ácido y neutralizadores de ácido. Sin embargo, si estos minerales están asociados con una fracción de tamaño particular, la segregación puede ocurrir durante la deposición, con un mayor contenido de azufre que se produce normalmente cerca de la descarga del tubo de deposición en la playa de relaves. El tamaño de partícula fino de los relaves resulta en una menor permeabilidad al oxígeno y al agua en comparación con la roca estéril, pero una mayor superficie reactiva.

Tanques relaves

Figura. Tranque de relaves de la compañía minera Doña Inés de Collahuasi (Chile, foto GoogleEarth 2017). Se observa el muro de tierra en la parte inferior-derecha de la imagen y el estanque de aguas claras que se produce después de la separación (parte superior). La longitud en el eje mayor son unos 5 km y desde el muro hasta el estanque unos 2,2 km.

relaves líquidos

Figura. Disposición de relaves líquidos desde el muro.

recuperación de agua tanque

Figura. Imagen de la zona de recuperación de agua de un tranque de relaves (foto Amphos 21 cortesía S. Jordana).

Presa El Porvenir (Perú)

Presa de relaves de El Porvenir (Perú) en 2005 y 2016 (imagen GoogleEarth 2018).

 

La construcción del tranque parte por un muro normalmente de tierra o de estériles de la mina y la impermeabilización de la zona de disposición mediante geomembranas. Dependiendo del método constructivo, el alcance de esta geomembrana será más eficiente para reducir la infiltración hacia el medio geológico a la vez que para mantener el muro en condiciones secas.

Flujo de drenaje ácido 1

Flujo de drenaje ácido 2

Flujo de drenaje ácido 3

Orígenes y flujos de drenaje desde un tranque de relaves en función del método constructivo (de Blowes et al., 2003 en INAP, 2009). De arriba abajo: método aguas abajo; método aguas arriba y método centrado. Nótese la posición del nivel freático en función del método de crecimiento del muro. Mientras el primero permite una impermeabilización completa y un dren basal en el muro, los otros dos no.

 

Vemos entonces, que el método constructivo es relevante para minimizar el impacto del tranque sobre las aguas subterráneas. En términos generales, primero se construye una presa para embalsar los relaves y el sobrenadante. Por razones de estabilidad, los diques de presas de relaves comúnmente están diseñados para estar drenados y no estar saturados, por lo que suelen están construidos con roca de escombreras o arena del mismo relave seco y compactado. Así, como es probable que contenga sulfuros, los terraplenes de las presas de relaves pueden ser particularmente propensos a la generación de drenaje ácido. La precipitación en la superficie de la instalación entra en contacto con las playas de relaves (relaves expuestos al oxígeno atmosférico), la presa o cae directamente sobre el estanque de aguas de decantación (espejo). Durante eventos de tormentas grandes, puede ocurrir una descarga a través de un desagüe por desbordamiento o descarga por la parte frontal de la represa. Esta agua puede –o debe- ser capturada para el tratamiento. La infiltración a través de los relaves ingresa al subsuelo o se captura en un dren de recolección de filtraciones. La tasa de filtración es una función de la permeabilidad de los materiales naturales o artificiales subyacentes y la tasa de infiltración a través de los propios relaves. Durante las operaciones, el drenaje ácido normalmente no es muy relevante (excepto en relaves extremadamente reactivos) porque la mayoría de los circuitos de molienda agregan cal a los relaves. Además, durante la eliminación vía agua, los relaves frescos añadidos a las playas mantienen un contenido de agua relativamente alto durante un tiempo. El agua producto de la decantación de los relaves (estanque de aguas claras) suele tener un contenido muy alto en sulfatos y puede ser también muy ácida, lo que en sí mismo no es un problema si esta agua se utiliza de nuevo para proceso.

Lixiviación en pilas

La lixiviación en pilas es un proceso metalúrgico que consiste en regar una pila de mineral de cierta ley con una solución reactiva que disuelve el mineral y obtiene una solución enriquecida que se recoge y se transporta a la planta de proceso (Figura 4‑20). Las soluciones suelen ser de ácido sulfúrico en el caso de los metales (particularmente el cobre) y de cianuro de sodio en el caso del oro.

Sistema de drenaje

Figura. Esquema conceptual de una pila (Amphos 21, cortesía de O. Silva).

Como los botaderos de estériles, las pilas pueden ser sistemas de grandes dimensiones, que se van recreciendo a medida que la composición de la solución enriquecida va empobreciendo

Sistema de pilas

Figura. Perspectiva de un sistema de pilas (Amphos 21, cortesía de O. Silva).

Sistema de riego

Figura. Detalle del sistema de riego de una pila (Amphos 21, cortesía de O. Silva).

La gestión inadecuada tanto de las soluciones de lixiviación como de la solución enriquecida puede dar como resultado la liberación de soluciones de procesos ácidos o alcalinos hacia el acuífero a través de la zona no saturada. Las fugas a través de la base revestida con geomembrana podrían afectar la calidad del agua subterránea, mientras que las filtraciones que fluyen desde la punta de las instalaciones y la escorrentía directa pueden afectar el agua superficial. Cuando concluye la lixiviación, el agua de drenaje o el agua de enjuague también deben gestionarse adecuadamente. Las soluciones de lixiviación ácida y el drenaje pueden precipitar minerales secundarios generadores de ácido de grano muy fino, como la jarosita y la melanterita, especialmente bajo condiciones climáticas secas. Durante los eventos de lluvia, estos minerales secundarios se disolverán fácilmente, liberando la acidez y los metales almacenados. En general, el impacto de las pilas de lixiviación suele estar muy controlado ya que a diferencia de los tranques y botaderos, forman parte del proceso productivo de la mina.

 

Lixiviación in situ

Finalmente, la lixiviación insitu consiste en inyectar las soluciones ácidas que disuelven el metal en la roca donde se emplazan los minerales, enriqueciéndose durante un cierto tiempo de tránsito y extrayéndose mediante un sistema de pozos. Es un sistema muy aplicado en la minería de uranio, cuando éste se presenta en acuíferos granulares. Este método presenta las ventajas de la ocupación nula del espacio y la no generación de residuos. El inconveniente es que una mala gestión del sistema redunda en una más que probable contaminación del acuífero. Requiere una caracterización extensiva del acuífero y de la distribución del mineral, y una gestión muy cuidadosa del sistema de bombeo y, sobre todo, del de recuperación de la solución enriquecida.

lixiviación

Figura. Esquema de lixiviación in situ (Seredkin et al., 2016).

Síntesis. Conceptualización del problema

Para un tratamiento correcto del problema (identificación, prevención, tratamiento, remedición en su caso) se debe construir un modelo conceptual en el que se identifique el proceso de movilización de los contaminantes, su transporte hasta el medio ambiente (agua subterránea, suelos y agua superficial) y en último caso, los seres vivos. El modelo conceptual describe las fuentes de posibles contaminantes, los mecanismos de su movilización, las vías de transporte y la posibilidad de exposición humana y ecológica a estos flujos. Las fuentes potenciales más importantes de drenaje ácido y en general, de cualquier tipo de drenaje en sitios mineros son los que se han explicado en la sección anterior.

Un modelo conceptual de drenaje para analizar los impactos sobre el medio ambiente o el riesgo para la salud puede desarrollarse en cualquier etapa de la vida de una mina; sin embargo, el desarrollo generalmente comienza en las primeras fases de un proyecto y se valida, revisa y actualiza continuamente, según sea necesario, durante la vida útil de la mina a medida que se recopilan datos de caracterización del sitio y de monitoreo operativo. Los principales requisitos de información de un modelo conceptual se muestran en la Figura 4‑24. La capacidad del modelo para describir con precisión la liberación, el transporte y el final del drenaje es una función de la cantidad de datos de caracterización disponibles, que generalmente está en relación con la fase de la mina.

modelo conceptual drenaje

Figura. Requerimientos básicos de un modelo conceptual de drenaje de mina para análisis de riesgo (INAP, 2009).

4.1       Estudios de evaluación ambiental

La evaluación ambiental de los proyectos está orientada a prevenir los impactos que la puesta en marcha de una operación o una ampliación de una que ya esté en marcha. Para ello, desde el punto de vista hidrológico se deben cuantificar todas las afecciones al medio superficial y subterráneo y proponer medidas de mitigación.

 

En general el estudio hidrogeológico que acompaña un EIA consiste en un modelo conceptual hidrogeológico en el sentido clásico: modelo geológico a gran escala, unidades hidrogeológicas, balance hídrico, parámetros de los acuíferos, hidroquímica. Si no incluye el estudio hidrológico superficial debe ser coherente con sus resultados y recomendaciones. Como resultado del estudio, en una fase posterior se plantea y mantienen unas redes de control piezométrico, de caudales y de la composición química del agua. Todo ello forma la línea base que se establece antes del inicio de las actividades.

 

El modelo conceptual se valida mediante un modelo numérico que en ocasiones puede requerir el uso de un software específico que debe de ser compatible con la autoridad que lo recibe. El modelo numérico se emplea no solamente para corroborar el modelo conceptual, sino que una vez calibrado se utiliza para predecir los posibles impactos que se van a derivar de la puesta en marcha de la mina. Ello puede ir desde la operación de pozos de suministro de agua subterránea, impermeabilización de balsas, disposición de los materiales en un dique de presa de relaves, disposición de materiales en los botaderos de estériles, implementación de drenes, hasta la profundización del rajo o de la mina subterránea y cómo evolucionará la piezometría, presión de poro en los diques, y el balance de aguas con la operación. Igualmente se deben simular los impactos derivados del drenaje ácido de las diferentes partes de la mina que se han explicado en las secciones anteriores y plantear soluciones si va a ser un problema.

 

Planes de cierre

Cada país tiene una normativa respecto al contenido de un plan de cierre de minas, pero en general un plan de cierre de una mina implica la restauración de todas las afecciones que haya podido tener la mina en su fase operativa a un régimen lo más parecido al natural. Ello implica que todos los residuos mineros y los huecos (túneles, galerías, pozos, rajos) deben ser estables desde el punto de vista físico y químico.

Los estudios hidrogeológicos de los planes de cierre normalmente consisten en:

  • Definir una red de monitoreo de aguas superficiales y subterráneas que cada cierto tiempo tienen que demostrar que no existe afección al medio por debajo de un cierto valor umbral.
  • Cuantificar la velocidad del llenado y formación del pit-lake, y la fecha y caudal del rebose, si llega a producirse. Verificar la calidad del agua del lago y que el lago en el rajo minero no comportará la generación de drenaje ácido que provoque contaminación aguas abajo en los acuíferos. Esto mismo es válido para las minas subterráneas.
  • Estabilizar las partes de la mina que pueden generar drenaje, bien sea mediante coberteras (suelos edáficos, tecnosoles,…) o bien sea mediante neutralización pasiva de los drenajes.
  • Demostrar que los residuos tanto en los relaves como en los botaderos de rocas y las pilas de lixiviación son estables y no generan ni van a generar drenaje ácido. Si esto no es así, se deben definir opciones de recolección de efluentes y tratamiento a largo plazo.

Resumen y conclusiones

En este bloque se han revisado aquellos aspectos de la operación minera que pueden afectar la calidad del agua subterránea. Se ha revisado sucintamente el proceso de generación de aguas ácidas de mina y la problemática a nivel mundial que representa. Esa dimensión queda reflejada en emprendimientos como la guía GARD, referencia sobre el tema a nivel mundial y en el que se basa este bloque.

A continuación, se han revisado los principales puntos de la mina donde se pueden generar drenajes que lleguen a constituir contaminación del agua (superficial o subterránea) en función de si son a cielo abierto o subterráneas. Finalmente se han revisado los contenidos de los estudios de evaluación ambiental en el contexto de la prevención de la contaminación, así como los contenidos de un plan de cierre, también brevemente.

 

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