Sistema de Monitoreo Geotécnico y Alertamiento en Presas de Jales

Por: Ing. Lucio Bejarano Torres*

Resumen 
La minería en México ha tenido un actuar histórico en la economía y desarrollo nacional de aproximadamente 500 años. La explotación y beneficio de los recursos minerales han sido motor de desarrollo, sin embargo los diferentes procesos aplicados para separar y concentrar minerales, para extraer, refinar y conformar metales que signifiquen bienes y servicios a la sociedad, también son generadores de materiales no aplicables sin interés económico que son desechados (confinados) en forma de depósitos a través de las Presas de Jales.

México, de acuerdo con el censo de Presas de Jales efectuado por las autoridades de Medio Ambiente tiene registradas 296 presas activas y 275 inactivas¹. La seguridad de estas ha tomado relevancia debido a desafortunados desastres ocurridos en los últimos años que han cobrado la vida de muchas personas ocasionando significativos daños al medio ambiente así como importantes pérdidas materiales. El presente articulo hace una revisión de los puntos clave de la normatividad aplicable al tema, así como a las mejores Prácticas a nivel Internacional, enmarcando la necesidad de que las compañías mineras conscientes de la importancia de los depósitos de jales como parte fundamental de su proceso de beneficio, decidan implementar un sistema de monitoreo geotécnico y alertamiento como una herramienta útil de prevención permitiendo así conocer las condiciones de estabilidad de la Presa de Jales, su evolución a través del tiempo así como la oportunidad de detectar con la antelación necesaria situaciones que ameriten su atención tomando acciones que eviten una falla catastrófica.

Abstract
Mining in Mexico has had a historical role in the economy and national development for approximately 500 years. The exploitation and benefit of mineral resources have been the engine of development, however the different processes applied to separate and concentrate minerals, to extract, refine and shape metals that mean goods and services to society, are also generators of non-applicable materials without economic interest that are discarded (confined) in the form of deposits through tailings dams.

Mexico, according to the tailings dam census carried out by the environmental authorities, has 296 active and 275 inactive dams registered1. The safety of these has become relevant due to unfortunate disasters that have occurred in recent years which have claimed the lives of many people causing significant damage to the environment as well as significant material losses. This paper reviews the key points of the regulations applicable to the subject, as well as the best practices at an international level, framing the need for mining companies to be aware of the importance of tailings deposits as a fundamental part of their benefit process and could decide to implement a geotechnical monitoring and warning system as a useful prevention tool, thus allowing them to know the stability conditions of the Tailings Dam, its evolution over the time, as well as the opportunity to detect situations that deserve their attention, triggering actions to prevent catastrophic failure.

Importancia de la seguridad de Presas de Jales
Como es sabido la industria minero metalúrgica está dedicada a la extracción y beneficio de minerales los cuales gracias a su naturaleza permiten extraer y refinar los metales y no metales que significan oportunidades de aplicación en la generación de productos y servicios, mismos que contribuyen al desarrollo social y económicos de los países. La extracción del mineral de interés económico va seguido de operaciones unitarias que mediante el aprovechamiento de las diferencias en sus propiedades físicas y químicas hacen posible su separación y concentración, de esta forma los materiales que no son de interés son dispuestos o confinados en sitios que deben ser específicamente diseñados para tal propósito denominados presas de jales.

La generación de dichos materiales es parte del proceso, su separación respecto al mineral de interés hace posible la recuperación del material valor, sin esto la minería no sería factible, por esta razón la presa de jales es y debe ser considerada como parte integral del proceso de beneficio, no puede ser una parte aislada que no genera valor y que debe ser atendida en una fecha posterior (ver Figura 1).

Sin mina no hay proceso, sin presa la operación del proceso no es factible. 

La existencia de un depósito mineral con la magnitud y calidad que asegure la continuidad operativa de un proceso de beneficio, la buena definición y operación de este, con todos los equipos que involucra incluyendo a la presa de jales son un todo. 

No puede faltar un equipo del proceso (molino, bomba o equipo de separación) pues el proceso no funcionaría, el procesamiento de mineral es continuo, la generación de concentrado y jales también lo es; por esta razón si no se tiene un lugar donde disponer los jales generados durante la vida operativa de la mina de una forma segura entonces la vida operativa de la mina está en riesgo, ahí su importancia. La presa no puede estar disociada, es parte integral del proceso y debe considerarse como parte de los activos de la compañía y el presupuesto designado debe considerarse como una inversión no como un costo a pagar.

La seguridad de la presa de jales es entonces un aspecto fundamental desde el diseño, construcción y operación y tiene un impacto determinante en la factibilidad operativa de una mina, debido principalmente a su interacción con el proceso mismo y a la posible afectación que directa o indirectamente tiene con el medio ambiente y frecuentemente, con comunidades aledañas a las instalaciones de la mina (principalmente aguas debajo de la presa).

Una presa segura elimina el riesgo del negocio manteniendo la integridad de la población cercana, preservando el medio ambiente y manteniendo la fuente laboral. 

Las presas para retención de agua, incluso las diseñadas para generación de energía eléctrica a diferencia de las presas de jales, son proyectos que se diseñan y construyen en una sola etapa alcanzando su operación estable al concluir su construcción, la atención a la operación, mantenimiento y vigilancia es constante y calificada, por la naturaleza de su uso es considerada el valor central del negocio teniendo un presupuesto realista acorde a los objetivos del proyecto, la atención del propietario está enfocada a la presa manteniendo asistencia técnica en sitio durante la vida operativa definida.

Por otra parte, las presas de jales se construyen en etapas dependiendo de la necesidad de disponer el volumen generado, esto de acuerdo con el plan de minado y concentración. El estado estable de la presa de jales sólo es alcanzado al cierre de esta, en muchos de los casos no se tiene un soporte técnico calificado durante su operación, mantenimiento y vigilancia, lo cual se va atendiendo en función de las necesidades, siendo éste un aspecto influyente en la seguridad de la presa, adicionalmente:

Al no ser considerada como un valor fundamental del negocio, su presupuesto es afectado por restricciones impuestas a la economía minera y el mercado, así como por políticas de ahorro y reducción de costos, la atención del propietario se enfoca en la operación minera no en la presa. No obstante, ésta debe durar para siempre.

Fallas en Presas de Jales y Consecuencias
Sin duda alguna, la seguridad de las presas de jales es un aspecto muy importante debido a su impacto en muchos de los casos sobre terceros y medio ambiente. En los últimos 12 años de acuerdo con “Tailings dam safety/Chronology of major tailings dam failures²” ha habido 48 eventos de falla en presas de jales a nivel mundial, ver Figura 2.

Como puede observarse tan sólo 4 de los 21 países listados tuvieron 22 de las 48 fallas de presas de jales, lo que representa el 45.83% del total, dichos países fueron Brasil con 7 eventos de falla, Birmania, México y Perú con 5 cada uno seguidos de Canadá y China con 4 respectivamente. 

Es importante resaltar que en el periodo de tiempo analizado las fallas de presas de Jales de mayor impacto fueron en orden cronológico:

1. La falla de Mount Polley propiedad de Imperial Metals (mina de oro y cobre) en Agosto 04 de 2014. British Columbia, Canadá. Liberando aproximadamente 17 M m³ de agua y 8 M m³ de jales³ (Ver Figura 3a).
2. El rompimiento de la presa Fundão y Santarem de la compañía Mineração S.A. (“Samarco”) en la Cd. De Mariana, municipio de Bento Rodríguez (Minas Gerais, Brasil) en Noviembre 05 , 2015, liberando más de 30 M m³ de jales, cobrando la vida de 19 personas (Figura 3b y 3c).
3. Y la más reciente, también en Brasil, ocurrida el pasado 25 de Enero del 2019 por el rompimiento de la presa 1 Córrego do Feijão de la Mina de hierro Brumadinho, operada por la compañía Vale, produciéndose la liberación no controlada de aproximadamente 11 M m³ de jales, ocasionando un estimado de 300 víctimas mortales (Figura 4).

Normatividad en México, Puntos Clave
El marco normativo para presas de jales en México está regido por la NOM-141-SEMARNAT 2003 misma que establece el procedimiento para caracterización de jales, así como las especificaciones y criterios para la preparación del sitio y el proyecto de construcción, operación y postoperación de la presa de jales⁴.

Es importante mencionar que el punto 2.0 de la norma (Campo de Aplicación)⁴ claramente establece que es:

a. De orden público; por lo cual contiene principios, normas y disposiciones legales para preservar los valores y bienes correspondientes a intereses generales de la sociedad.

b. De Interés Social; por estar relacionado a la utilidad, valor, importancia, conveniencia o trascendencia para la comunidad o sociedad. 

(1) Norma Oficial Mexicana NOM-141-SEMARNAT-2003
c. De observancia obligatoria para el generador de Jales provenientes del beneficio de minerales metálicos y no metálicos⁴.

La figura 5, muestra una representación esquemática de los puntos contenidos en la NOM 141-SEMARNAT-2003.

Como bien establece el punto 5.0 de la norma (Especificaciones)⁴, el almacenamiento de jales puede efectuarse en el lugar donde éstos son generados, lo cual debe hacerse conforme a la información obtenida por la caracterización de sitio atendiendo los criterios de protección ambiental que apliquen; es de resaltar que uno de los puntos de mayor relevancia es sin duda el apartado 5.3 Criterios de Caracterización del Sitio, dado que todos los aspectos incluidos (climáticos, edafológicos, geotécnicos) son relevantes por su influencia en la estabilidad de la presa de jales así como en la determinación de los criterios de preparación del sitio y del proyecto mismo, adicionalmente y como parte también de la caracterización de sitio, la evaluación del potencial del daño a través de la identificación de los centros de población, cuerpos de agua superficiales, ecosistemas frágiles o especies en riesgo que puedan ser afectados por un derrame no controlado de la presa de jales. 

Es aquí donde la norma a través del punto 4 de su anexo normativo No 3⁴ (Monitoreo con los instrumentos necesarios para observar el comportamiento de la presa) prevé acciones que como parte de un sistema de monitoreo y vigilancia debe ser establecido con la finalidad de en todo momento tener información continua y en tiempo real del comportamiento de la presa de jales.

Prácticas Internacionales
Debido a las consecuencias de falla en presas de jales, diversas asociaciones tales como: ANCLOD (Australian National Committee on Large Dams); DEM (Department of Minerals and Energy); DMP (Department of Mining and Petroleoum; EC (European Commission); ICOLD (International Committee of Large Dams), han emprendido la tarea de definir guías de vigilancia para la seguridad y gestión así como para el diseño, construcción, operación y postoperación de presas de jales, además de guías de monitoreo y vigilancia, desarrollando últimamente la propuesta de elaboración de un Manual de Operación y Vigilancia por MAC⁵ (Mining Association of Canadá) donde se privilegia la adopción y aplicación de las mejores prácticas (ver Figura 6) tales como: 

a. Best Available Technology (BAT); enfocada a que toda operación minera debe adoptar la mejor tecnología disponible que contribuya a reducir los riesgos Físicos, Geológicos, Ecológicos, Sociales, Financieros y Reputacionales de una compañía que opera una presa de jales.

b. Best Available/Applicable Practice (BAP); enfocada a desarrollar sistemas de gestión con procedimientos operacionales, técnicas y metodologías con la finalidad de lograr confiabilidad en el manejo de riesgos alcanzando objetivos de desempeño técnica y económicamente eficientes.

Monitoreo Geotécnico y Alertamiento de Presas de jales
El alcance de este trabajo se enfoca en la aplicación de tecnología para el monitoreo de presas de jales con la finalidad de contar con información confiable y en tiempo real de su comportamiento a través del seguimiento de estabilidad de la cortina o taludes, así como el nivel de agua y jales (nivel freático) dentro de la presa. El monitoreo de las presas de jales podría dividirse en 3 fases.

a. Fase 1 (Monitoreo Físico): Soportada en su mayor parte por inspecciones físicas de la presa de jales, cortina, embalse y sistema drenante así como la lectura de instrumentos primarios de medición (piezómetros abiertos) y testigos de desplazamiento (mojoneras).

b. Fase 2 (Monitoreo Remoto): Uso de un sistema inalámbrico conectando a múltiples instrumentos de monitoreo geotécnico en tiempo real como piezómetros de cuerda vibrante y/o multinivel, inclinómetros, extensómetros, etc. Así como a sistemas de alertamiento tales como acelerómetros, estaciones meteorológicas y estaciones topográficas robotizadas.

c. Fase 3 (Monitoreo Predictivo): Uso de tecnología satelital, nuevas tecnologías basadas en la detección de desplazamiento de un área específica a través de imágenes radar captadas por satélite.

La estabilidad de una presa de jales está directamente relacionada con la estructura del muro de contención (cortina), a su geometría y a la resistencia mecánica de los materiales que la constituyen. Adicionalmente y debido a la continua disposición de jales espesados, los cuales al estar en reposo empiezan a compactarse eliminándose el exceso de agua a través de los sistemas drenantes, permite definir la línea de flujo (superficie freática) que se establece a través de la cortina a menos que ésta tenga por diseño una cubierta (enlainado) impermeable en la cara interna (en contacto con los jales).

Los piezómetros hacen posible medir las presiones de poro hidrodinámicas para determinar la altura de la superficie freática, también conocida como línea superior de corriente, la cual normalmente resulta ser una curva debido al régimen de flujo lateral a través de la cortina, la Figura 7 muestra esquemáticamente las líneas de flujo de superficie freática para el caso de presas de jales construidas por los métodos aguas abajo (a) y aguas arriba (b).

Los componentes de un sistema de monitoreo remoto pueden estar conformados por: 

Piezómetros: Para el monitoreo de flujo a través de la cortina. El incremento en la superficie freática disminuye el factor de seguridad. Es importante contar con monitoreo en zonas representativas a lo largo de la misma o consideradas de posible riesgo por altura y/o antecedentes de construcción, cercanía, descarga de jales, etc. La profundidad de instalación depende de la topografía del terreno natural donde se desplante la cortina. Es importante además colocar piezómetros en la base de la cortina aguas abajo con la finalidad de tener una mejor representación de la superficie freática (ver Figura 7a).

Inclinómetros: El inicio de una falla puede ser evidenciada por un incremento en la presión de poro hidrodinámica, no obstante en función de su magnitud pudiera no ser detectable físicamente como parte de las inspecciones rutinarias. Es aquí donde los inclinómetros son útiles para detectar situaciones de deformación interna que posteriormente signifiquen una situación de mayor riesgo, lo cual se hace a través de la detección oportuna de deformaciones tanto en la parte alta de la cortina como de su base, (monitoreo de deformación interna), ver figura 08, colocación de Inclinómetros verticales⁷.

Referencias de desplazamiento superficial: Las referencias topográficas, testigos de desplazamiento (mojoneras) han sido tradicionalmente muy utilizadas, no obstante su monitoreo manual requiere el movimiento y traslado de personal calificado y equipo tal como, teodolito, estación total, estadales, bastones, prismas, etc. lo cual dependiendo del número de testigos a monitorear puede representar una cantidad considerable de horas hombre para desarrollar el trabajo de campo, mismo que puede incrementarse en caso de haber zonas críticas que demanden mayor frecuencia de verificación o dificultarse bajo condiciones extremas, (época de lluvias). 

La instalación de prismas topográficos distribuidos en la superficie de la cortina o bordo de contención, monitoreados en forma continua a través de una estación total robotizada en periodos de tiempo establecidos, permite además de no ser dependiente del factor humano, contar con una base de datos con registros de desplazamiento en tres dimensiones (x, y, z) de las zonas críticas, haciendo posible interpretar el comportamiento de la estructura de contención ante situaciones atípicas climatológicas o sísmicas. La Figura 9 muestra un ejemplo de la distribución de prismas para monitoreo así como los desplazamientos en los ejes x, y, z correspondientes a un periodo de tiempo.

La estación meteorológica, es un sistema complementario de monitoreo de la precipitación pluvial en la zona de interés, lo cual es importante por su efecto en las instalaciones de presas de jales y áreas aledañas, principalmente aguas abajo, su seguimiento puede ser relacionado al comportamiento de la superficie freática y ser apoyo al plan de época de lluvias de la mina o de emergencia en caso requerido.

Los acelerómetros, por su parte, pueden ser importantes para identificar la magnitud de aceleración ocurrida durante un sismo y relacionarse a las condiciones físicas de la presa.

Otros equipos que pueden considerarse para su inclusión en un sistema de monitoreo son circuito cerrado de TV, para vigilancia constante de la superficie de la cortina y vaso de la presa con visualización directa al cuarto de control de operación y un sistema de alertamiento sonoro asociado a los umbrales de control que se definan, basados en el comportamiento histórico de la presa de jales producto de mediciones reales.

Contar con un sistema de monitoreo y alertamiento para la presa de jales significa una inversión que puede parecer significativa, no obstante la posibilidad de a través de información continua y confiable conocer el comportamiento de la presa de jales brinda la oportunidad de tomar decisiones preventivas con suficiente tiempo de antelación para garantizar la seguridad de la misma, disminuyendo riesgos físicos, geotécnicos, ecológicos y sociales, asegurando así la continuidad operativa de la mina, lo que significa un ahorro importante en términos de impacto económico al evitarse un evento de falla catastrófica.

Como parte de la adopción de las mejores prácticas de acuerdo con los indicado anteriormente, se deben desarrollar sistemas de gestión y procedimientos operacionales, con la finalidad de lograr confiabilidad en el manejo de riesgos, por tanto, tal vez un documento importante a desarrollar son las guías de vigilancia de la presa de jales, mismas que pudieran ser representadas por el esquema de la Figura 10.

Como puede observarse en el esquema anterior, la vigilancia de la presa de jales está basada en el conocimiento de la situación de la presa, lo cual puede hacerse a través de las inspecciones rutinarias o inspecciones posteriores a un evento atípico, sin embargo, la información que se obtiene a través de esa ruta proporciona únicamente información cualitativa, que obviamente es importante pero que al tener un sistema de monitoreo remoto en tiempo real permite obtener información cuantitativa del estado que guardan los diferentes aspectos que influyen en la seguridad de la presa, con lo cual puede hacerse una mejor evaluación de si el comportamiento es normal o anormal, permitiendo determinar con suficiente anticipación si se requiere una acción correctiva.

Conclusiones

1. La presa de jales es parte integral de los procesos minero-metalúrgicos, su operación responsable enfocada a la seguridad coadyuva a reducir el riesgo evitando impacto ambiental, ecológico y social.
2. Contar con un sistema de monitoreo geotécnico y alertamiento en una presa de jales permite conocer en tiempo real el comportamiento de los principales aspectos que influyen en su seguridad.
3. Las bases de datos generadas por el sistema de monitoreo permiten cuantitativamente establecer los umbrales de control de las variables que pudieran poner en riesgo la seguridad de la presa, detonando oportunamente acciones preventivas y/o correctivas que eviten su falla. 
4. Un sistema de monitoreo remoto automatizado da la capacidad al personal responsable de dedicar más tiempo al análisis de información, relacionándola al comportamiento de estabilidad de la presa, fomentando su desarrollo técnico y experticia, tomando decisiones o juicios más acertados por estar fundados en datos reales (Gestión del riesgo). 
5. Si bien es cierto que la operación segura de las presas demanda mayores compromisos de inversión en el desarrollo y aplicación de tecnologías y sistemas de gestión enfocados a lograr una operación responsable, sus beneficios se ven reflejados por su contribución en una estabilidad operativa y financiera de la compañía, evitando penalizaciones, gastos por contención de daños y acciones legales que pongan en riesgo su vida operativa.

Referencias

• Inventario Homologado Preliminar de Presas de Jales, Comunicado de Prensa 110/21, Cd. De México, septiembre 27-2021, Secretaría del Medio Ambiente y Recursos Naturales.
• Chronology of major tailings dam failures, last update February 2022, recuperado de: https://www.wise-uranium.org/mdaf.html 
• Ground Engineering BGA (British Geotechnical Association) recuperado de: https://www.geplus.co.uk/news/three-engineers-face-penalties-for-bc-tailings-dam-failure-01-04-2022/ 
• Norma Oficial Mexicana NOM-141-SEMARNAT-2003
• A guide to the Management of Tailings Facilities, version 3.1 February 2019/Mining Association of Canada
• Surveillance Guidelines for Tailings Storage Facilities, SRK Consulting, April 2015
• Manual de Mecánica de Suelos, Instrumentación y Monitoreo del comportamiento de Obras Hidráulicas, Comisión Nacional del Agua 2012

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