Liquefaction potential study of thickened tailings deposits

Christian Ledezma, Gabriel Ferrer, Esteban Sáez

In the proceedings of: GEO2011: 64th Canadian Geotechnical Conference, 14th Pan-American Conference on Soil Mechanics and Geotechnical Engineering, 5th Pan-American Conference on Teaching and Learning of Geotechnical Engineering

Session: Mining and Rock Mechanics

ABSTRACT: Copper production is an essential component of Chilean economy. During the extraction process of copper, large quantities of waste materials (tailings) are produced, which are typically stored in large tailing ponds. Thickened Tailings Disposal (TTD) is an alternative to conventional tailings ponds. In TTD a considerable amount of water is extracted from the tailings before their deposition, increasing the storage capacity of the deposit and its seismic stability. Once a thickened tailings layer is deposited it loses water and it shrinks, forming a relatively regular structure of tailings™ blocks with vertical cracks in between, which are filled up with fifreshfl tailings. The dynamic response of a representative column of this complex structure made of fisolidfl blocks with softer material in between was analyzed using a periodic half-space finite element model. The tailings behavior was modeled using an elasto-plastic multi-yielding constitutive model. An important aspect of this study was the liquefaction potential evaluation of TTD.

RESUMEN: La producción de cobre es una parte esencial de la economía de Chile. Al extraer el cobre, se producen grandes cantidades de relave, los que son generalmente almacenados en tranques de relave. Los depósitos de relave espesado (TTD, Thickened Tailings Disposal) son una alternativa a los depósitos convencionales, en que se extrae gran parte del agua antes de depositarlos, aumentando la capacidad de almacenamiento y la estabilidad sísmica. Una vez que se deposita una capa de relave espesado, ésta pierde agua por desecación, generándose grietas de contracción en la superficie, las que luego se llenan con relave fresco. La respuesta dinámica de una columna representativa de esta estructura compleja formada por bloques fisólidosfl con material más blando entremedio fue analizada mediante un modelo unidimensional periódico utilizando elementos finitos, y considerando para el comportamiento del relave un modelo constitutivo elasto-plástico multi-mecanismos. Un aspecto importante de este estudio fue la evaluación del potencial de licuefacción del TTD. 1 INTRODUCCIÓN En la minería de cobre chilena, aproximadamente el 1% en peso del material que se extrae de las minas corresponde al mineral, mientras que el resto corresponde a residuos mineros o firelavefl (Verdugo, 2011). En efecto, cada día se deposita más de un millón de toneladas de relave en nuestro país (Troncoso y Garcés, 2000). Ha habido ocasiones en las que no se han tomado las medidas de seguridad necesarias para almacenar estos residuos, y se han producido catástrofes con derrames de miles de metros cúbicos de relave, causando un serio impacto ambiental y, en algunos casos, incluso pérdidas humanas. Por ejemplo, producto del terremoto que azotó a la zona central de Chile el 28 de marzo de 1965, fallaron 8 presas de relave; dos de éstas arrasaron con el pueblo El Cobre, en donde murieron más de 200 personas (Verdugo, 2009). Existen diversas formas de almacenar los relaves. Las más usadas son las presas convencionales, cuyo muro de contención puede estar formado por material de empréstito o por las partículas gruesas del relave. Por otra parte, están los depósitos alternativos de relave, entre los que se encuentran los Thickened Tailings Disposal o TTD. El relave espesado es un tipo de relave al cual se le extrae gran parte del agua que lleva, logrando una mayor densidad que el relave convencional, una mayor capacidad de almacenamiento, y eventualmente menores riesgos de infiltración y de licuefacción (Robinsky, 1999). Otra ventaja de este sistema es que los muros perimetrales son, en general, bastante más bajos que los de una presa convencional, y el mismo relave espesado conforma una estructura fiautosoportantefl que puede depositarse en pequeñas pendientes, incluso en una superficie plana y sin el requerimiento de un muro perimetral (Robinsky, 1999). Por otro lado, algunas de las desventajas de la técnica de relaves espesados están ligadas a la incertidumbre en relación a los cambios de las propiedades del relave con el tiempo (e.g., por oxidación), la susceptibilidad a la licuefacción, la dificultad para predecir el ángulo de inclinación del depósito y el eventual drenaje ácido (Bussière, 2007). De acuerdo a Blight (2003), la implementación de cada método de depositación va a depender de cada caso en particular, y pese a las desventajas que presentan los relaves convencionales, éstos pueden prevalecer en algunos aspectos sobre los depósitos de relaves espesados. Actualmente no hay experiencias de TTD en la gran minería ni tampoco en países con alto riesgo sísmico como Chile, por lo que en rigor se desconoce si este tipo de depósitos presenta una estabilidad satisfactoria frente a sismos severos (Verdugo y Santos, 2009). Hasta el momento, en los análisis numéricos es usual modelar al

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