Revista
Industrial Data 22(1): 39-60 (2019)
ISSN: 1560-9146 (Impreso) / ISSN: 1810-9993 (Electrónico)Fernando Mendoza
DOI: http://dx.doi.org/10.15381/idata.v22i1.16526
Facultad de Ingeniería Industrial -
UNMSM
Variación
de la resistencia cortante del material de relave por causas meteorológicas y
su influencia en la estabilidad física de la presa de relaves N.° 3 Mahr Túnel
Fernando
Mendoza Maldonado [1]
Recibido: 18/10/2018 AceptAdo: 04/02/2019
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RESUMEN
Los agentes meteorológicos pueden
producir alteraciones en la composición física y química del material
almacenado en una presa de relaves, pues modifican sus propiedades y sus
condiciones de estabilidad física. En esta investigación se evaluó el
comportamiento de la resistencia cortante del relave por causas
meteorológicas y su influencia en la estabilidad física de la presa N.° 3
Mahr Túnel. Además, se ejecutaron ensayos triaxiales tipo CU en muestras
inalteradas extraídas de la presa para diferentes periodos de exposición. Los
resultados indican que la resistencia cortante incrementa cuando aumenta el
periodo de exposición meteorológica, lo que a su vez aumenta los factores de
seguridad del análisis de estabilidad de la presa.
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Palabras-claves: Presas de relave; resistencia cortante; agentes meteorológicos; ensayo
triaxial CU; estabilidad física.
INTRODUCCIÓN
Considerando la importancia de la industria
minera peruana (producida por el potencial de reservas de minerales y la
existencia de importantes proyectos mineros), es posible percibir la
disposición del sector privado responsable y del país por comprometerse a
desarrollar y promover una actividad minera moderna, social y ambientalmente
responsable. Así, en el Perú, se han construido y operado presas de relave de
gran altura y recrecimientos secuenciales a fin de contribuir con el desarrollo
sostenible y generar progresos en la nación. Lo anterior exige mayores
requerimientos técnicos, con el propósito de garantizar la estabilidad física
de las presas, particularmente ante procesos meteorológicos que pueden
relacionarse con el periodo de disposición a largo plazo, pues esto da como
resultado, por ejemplo, una alta saturación de las presas, generando presiones
intersticiales, factor crítico que provoca fallas en los taludes de las presas.
Los investigadores Rico, Benito,
Salgueiro, et al. (2007) indican que si bien es de suponerse que las presas de
relaves deben durar para siempre, la experiencia muestra que los
desbordamientos representan amenazas ambientales latentes, especialmente en la
etapa posterior al cierre de minas. Por otro lado, Actis (2000) señala que las
propiedades físicas de los relaves pueden ser determinadas a través de ensayos
de laboratorio, de fricción y/o cohesión, y por ensayos triaxiales drenados, no
drenados, lentos, rápidos, consolidados y de corte directo, tomando en cuenta
las condiciones de operación de la presa.
La presa de
relaves N.° 3 de la concesión de beneficio Mahr Túnel está ubicada en el
distrito y provincia de Yauli, departamento de Junín, Perú, a una altitud
promedio de 4000 m s. n. m y con un clima frío debido a la altitud. El área
está afectada en su mayor parte por un tiempo lluvioso, con máximas
precipitaciones entre noviembre y abril, asimismo persisten las nevadas y
granizos. La precipitación máxima anual en época húmeda es 1188 mm y en periodo
seco (de mayo a noviembre), 576 mm. Además, la temperatura máxima alcanza
alrededor de los 17 ºC, disminuye hasta -13 ºC en julio y desciende hasta cerca
de 0 ºC entre septiembre y diciembre. La temperatura media es de 5.7 ºC,
conforme a la información obtenida en la estación meteorológica de Pachachaca,
a 4000 m s. n. m.
Es necesario mencionar que la presa N.° 3 ha
estado expuesta a los agentes meteorológicos, los cuales han producido cambios
periódicos de temperatura, congelación del agua y modificaciones en la
mineralogía del relave. De la misma forma, estos fenómenos han ocasionado
alteraciones en la composición física y química de la presa, causando una
variación de las propiedades del relave y, en consecuencia, de su estabilidad
física.
Lo anterior ha sido examinado por diversos
investigadores, como Ormazábal (2008), quien realizó un estudio sobre la
evaluación de la influencia del tiempo (envejecimiento) en el comportamiento
estático y dinámico de la arena de relave extraída del tranque Ovejería
(ubicado en La Rinconada de Ovejería, a 550 m s. n. m) en la región
Metropolitana, provincia de Chacabuco, Chile.
Sobre la influencia de las causas
meteorológicas, Joshi, Achari, Kaniraj y Wijiweera (1995) realizaron una
investigación, a través de experimentos de laboratorio, para estudiar y
registrar los efectos de envejecimiento en la arena, además de revisar la
influencia de los tipos de arena y del fluido presente en los poros del suelo.
Del mismo modo, Richefeu, El Youssoufi y Radjai (2006) examinaron las
propiedades de resistencia al corte de materiales granulares húmedos en un
estado pendular (donde la fase líquida es discontinua) como una función del
contenido de agua. La arena y los envases de vidrio se humedecieron y se
probaron en una célula de corte directo y bajo varias presiones de
confinamiento.
1.
Justificación de la investigación
Esta investigación busca determinar con más
certeza las condiciones de estabilidad física de la mencionada presa. Por ello,
se han examinado los parámetros geotécnicos del material de relleno de la
misma, teniendo en cuenta su variación en el tiempo por la influencia de los
agentes meteorológicos. Así, de acuerdo a los factores de seguridad (FS)
obtenidos en el análisis de la estabilidad física, ha sido posible conocer las
condiciones de seguridad y protección ambiental que se deben aplicar al
espacio.
2.
Problema general y específico
2.1.
Problema general
¿Cómo evaluar el comportamiento de la
resistencia cortante del material de relleno de la presa conformada por relave
grueso, modificado por causas meteorológicas y temporales, y su influencia en
la estabilidad de taludes de la presa de relaves N.° 3?
2.2.
Problema específico
De acuerdo al marco de investigaciones
geotécnicas, ¿qué tipo de muestreo y ensayos de mecánica de suelos son
adecuados para estimar la variación de los parámetros de resistencia cortante
del material de relleno de la presa conformada por relave grueso, la cual se
modifica por causas meteorológicas, y cuál es la influencia de esto último en
la estabilidad física de la presa de relaves N.° 3?
3.
Objetivo de la investigación
3.1.
Objetivo general
Evaluar el comportamiento de la resistencia
cortante del material de relleno conformado por relave grueso, teniendo en
cuenta las causas meteorológicas y los posibles efectos en la estabilidad
física de la presa de relaves N.° 3.
3.2.
Objetivo específico
Determinar la variación de la resistencia
cortante del material de relleno conformada por relave grueso. Evaluar dicha
alteración a partir de ensayos triaxiales obtenidos de muestras inalteradas,
los cuales son representativos ante los agentes meteorológicos, y establecer su
influencia en la estabilidad física de la presa de relaves N.° 3.
METODOLOGÍA
1.
Recopilación y análisis de la
información existente
Consistió en la recopilación y análisis de
información respecto a las condiciones de sitio, diseños de ingeniería,
reportes de construcción y operación del depósito de relaves N.° 3, las cuales
fueron proporcionadas por Volcan Compañía Minera S. A. A. Además, se consiguió
información relacionada a las autorizaciones del depósito en el Ministerio de
Energía y Minas del Perú.
2.
Investigaciones de campo y ensayo de
laboratorio
2.1.
Investigaciones geotécnicas
Se ejecutó un programa de investigaciones
geotécnicas de campo y laboratorio, además se utilizó la información de los
estudios previos indicados. Para obtener muestras inalteradas del material de
relave, se ejecutaron sondeos con calicatas convenientemente ubicadas y
distribuidas en la presa de relaves N.° 3. Luego de la descripción detallada
del material, se tomaron muestras inalteradas, las cuales fueron identificadas
y protegidas para ser enviadas al laboratorio de mecánica de suelos.
2.2.
Investigaciones geotécnicas de campo
Para obtener muestras de relave sujetas a las
condiciones reales de disposición ante los agentes meteorológicos, se
analizaron muestras inalteradas de la presa y se ejecutaron tres calicatas
ubicadas y distribuidas en la presa de relaves. Con el fin de conseguir
muestras inalteradas de relave, conforme a la profundidad registrada en la
calicata, se tomó en cuenta que el material de relave esté completamente fresco
y que no haya perdido humedad. Luego, se preparó la superficie marcando el
contorno de lo que fue la cara superior de la muestra. Las Figuras 1 y 2
ilustran la obtención de muestras inalteradas.
De manera complementaria, se utilizó
la información respecto a los sondeos geotécnicos desarrollados en la etapa de
construcción y operación del depósito de relaves.
3.
Ensayos de laboratorio
A fin de
evidenciar las condiciones reales del material de relave, se ejecutó el ensayo
triaxial tipo consolidado no drenado (CU) con medición de presión de poros
desarrollada en la muestra. De esta forma, esos ensayos pueden compensar los
efectos de perturbación por la obtención de muestras inalteradas. Por otro
lado, se consideró la disponibilidad de los reportes de los ensayos triaxiales
con características similares del tipo de muestra y la presión de
confinamiento. Los prototipos seleccionados se comprimieron con valores de
esfuerzo de confinamiento (σc) de 1,0, 2,0 y 4,0 kg/cm2. Los ensayos se realizaron en el
laboratorio de mecánica de suelos de la Pontificia Universidad Católica del
Perú (PUCP). Asimismo, se ejecutaron ensayos estándar (propiedades físicas)
para identificar y clasificar el material de acuerdo al Sistema Unificado de
Clasificación de Suelos (SUCS). El ensayo triaxial consistió en preparar
probetas de suelo envueltas con una membrana que sirve para drenar y tener el
control de la presión intersticial al interior de la muestra, por lo que se
colocan piedras porosas en la base y en la parte superior (González de Vallejo,
Ferrer, Ortuño y Oteo, 2002).
Figura 1. Corte y revestimiento con parafina
de muestra.
Fuente: Elaboración propia
Figura 2. Empaque y transporte de muestra de
relave inalterado 30x30x30 cm3.
Fuente: Elaboración propia.
3.1. Trabajos de gabinete
•
Estimación
de la antigüedad de los sondeos de muestras inalteradas, existentes y recientes
a partir de la información topográfica, y sondeos geotécnicos desarrollados en
los diversos estudios de diseño de recrecimiento de la presa de relaves N.° 3,
desde 2007 hasta 2016.
•
Elaboración
de planos de distribución de los sondeos y proyección de los periodos de
exposición a los agentes meteorológicos.
•
Análisis,
interpretación y discusión de los resultados obtenidos de los ensayos de
laboratorio triaxiales (CU) y de los ensayos estándar de las diferentes
muestras, según el periodo de exposición a los agentes meteorológicos.
•
Estimación
de los parámetros físicos y de resistencia cortante del relave grueso a partir
de los reportes de laboratorio.
•
Determinación
del modelo geotécnico a partir de los diferentes parámetros de los materiales y
de la geometría definida para los periodos de almacenamiento.
•
Análisis
de estabilidad física de la presa de relaves según el modelo geotécnico
definido para la etapa inicial y para los diferentes periodos de exposición
meteorología.
RESULTADOS
Considerando los objetivos de esta
investigación, se realizaron estudios geotécnicos de las muestras inalteradas
del relave con el fin de determinar su comportamiento ante los agentes
meteorológicos en el tiempo. A continuación se detallan los resultados.
1.
Estimación de los periodos de
disposición de relave
La Figura 3 presenta la estimación de
antigüedad de muestras inalteradas obtenidas del sondeo de tres calicatas. El
gráfico fue elaborado a partir de la información topográfica de los
recrecimientos de la presa y periodo de disposición de relaves.
2.
Granulometría de los relaves
Según los sondeos
ejecutados de caracterización física y SUCS, el material de relave grueso es
arena limosa (SM) y arena limosa con arcilla (SM-SC).
Figura 3. Estimación de antigüedad de
muestras a partir de la curva: cota de la presa del depósito versus periodo de
disposición de relaves.
Fuente: Elaboración propia.
El contenido de las arenas (malla #+200) está
comprendido entre 57% y 83%, mientras que el contenido de finos (malla #-200)
varía entre 16% y 42%.
3.
Variación de los parámetros de
resistencia cortante con el periodo de exposición a los agentes meteorológicos
Los resultados de los ensayos triaxiales,
en términos de esfuerzos totales, indican que cuando aumenta el tiempo de
meteorización (disposición) “se incrementa” la resistencia al esfuerzo cortante
no drenado. Esto significa que el tiempo de disposición ante los procesos
meteorológicos influye en el incremento de la cohesión y ángulo de fricción del
relave.
La Figura 4 muestra la comparación de los
resultados del ángulo de fricción. Así, el ejemplar BH4SMR3 presenta un periodo
de disposición estimado en 3 años, alcanzando un incremento de 60% respecto del
año inicial de disposición “cero”. Le sigue una tendencia creciente hasta el
año 6 de disposición. En la muestra C-2 M-1 se observa un aumento de hasta
200%. En el caso de la muestra BH5-SMR3, para el año 7, se observa un descenso
de hasta 68% respecto del año cero.
La Figura 5 muestra la comparación de los resultados de la cohesión. Para el
año cero, en la muestra SPT CM-11 se observa que la cohesión es de 0 kg/ cm2; mientras que en la muestra BH4-SMR3, con 3 años de disposición, hay un
incremento súbito que alcanza una cohesión de 230 kg/cm2. Sin embargo, para el año 4, en la muestra C-1 M-1 se aprecia un
descenso hasta alcanzar un valor de cohesión de 78 kg/cm2. Para los siguientes años ocurre un incremento progresivo de la
cohesión.
Figura 4. Variación del ángulo de fricción de
relave grueso en términos de esfuerzos totales.
Fuente: Elaboración propia
Figura 5. Variación de la cohesión del relave
grueso en términos de esfuerzos totales.
Fuente: Elaboración propia.
4.
Análisis de estabilidad física
4.1.
Generalidades
Para el análisis de la estabilidad de taludes
de la presa de relaves N.° 3 se tomó en cuenta lo siguiente:
•
Se
desarrolló la sección transversal de análisis en base a la configuración
geométrica actual de la presa y de las perforaciones diamantinas, con lo cual
se estimó la distribución de los materiales.
•
La
sección geométrica representa las condiciones críticas de la presa, es decir,
el mayor el ángulo del talud, la carga por acción del sismo, las condiciones de
nivel freático, entre otras.
•
Se
utilizó la metodología de equilibrio límite para evaluar la resistencia al
deslizamiento de un talud, tomándose en cuenta ciertas hipótesis respecto al
mecanismo de falla, la condición de equilibrio, la superficie del nivel
freático, los parámetros de resistencia cortante del material, etc.
4.2.
Metodología del análisis realizado
•
Se
ha utilizado el software SLIDE
(Rocscience versión 6) para modelar la configuración geométrica del talud
interactivamente y definir los diferentes materiales, tomando en cuenta sus
propiedades geotécnicas (físicas y mecánicas).
•
Para
determinar los factores de seguridad (FS), se partió de lo planteado por Quispe
(2015), quien menciona que la definición “se lleva a cabo de manera
bidimensional usando el concepto de equilibrio límite, aproximando el problema
a un estado de deformación plana” (p. 4). Este autor, además, precisa que la
superficie de falla crítica es aquella que proporciona el menor FS y que se
encuentra de forma interactiva modificando las condiciones de búsqueda de la
misma, así como evaluando las superficies de falla circular.
•
A
su vez, como hipótesis del análisis de la estabilidad “se considera que las
propiedades [físicas y mecánicas] de los materiales que conforman las
estructuras analizadas son homogéneas e isotrópicas y que el colapso se
produciría como resultado de fallas simultáneas a lo largo de la superficie de
deslizamiento” (Quispe, 2015, pp. 4-5). El análisis de estabilidad
pseudo-estático (PE) somete una masa deslizable de dos dimensiones a una
aceleración horizontal igual al coeficiente sísmico multiplicado por la
aceleración de la gravedad.
•
El
método usado para los análisis PE es el indicado por Hynes-Griffin y Franklin
(1984), el cual requiere la reducción de las propiedades de la resistencia
cortante del material hasta un 20% para aquellos materiales sujetos a un
incremento de la presión de poros en condiciones cíclicas (terremotos).
4.3.
Factor sísmico de diseño
El parámetro de diseño especificado para la
zona de estudio es una aceleración máxima de 0,3 g, valor que tiene una
probabilidad de excedencia de 10% en 50 años de exposición sísmica y
correspondiente a un evento de 475 de periodo de retorno. El valor recomendado
para un coeficiente adecuado PE varía entre 1/2 a 1/3 veces del valor de la
aceleración pico de terreno. En el estudio de Rennat y Miller (1997) se utilizó
un coeficiente sísmico de 0,15 g, valor que es ½ de la aceleración máxima
esperada de 0,3 g.
4.4.
Nivel freático
Los niveles freáticos registran profundidades
de 16,20 m y 14,60 m a partir de la superficie de nivelación. Estos niveles de
agua actúan como un nivel piezométrico, pues afectan principalmente al suelo de
cimentación y al basamento rocoso, lo cual constituye una hipótesis
conservadora, ya que el nivel de agua no es continuo. En efecto, Rodríguez y
Oldecop (2011) mencionan que el agua infiltrada en la presa de relaves satura
rápidamente los poros y parcialmente los llena con agua capilar. Además, la
aproximación del agua freática al talud exterior de la presa tiene efectos
desestabilizantes.
5.
Parámetros geotécnicos
En la Tabla 1 se muestran las
propiedades geotécnicas de los diferentes materiales utilizados en el análisis
de la estabilidad. Estos parámetros de resistencia cortante se obtuvieron a
partir de los ensayos triaxiales CU con muestras inalteradas y alteradas.
|
Tabla 1. Resumen de
propiedades geotécnicas de materiales.
|
Material
|
Año de disposición
|
γ (kN/3 sec
m )
|
3
γ (kN/m ) sat
|
Totales
|
Efectivos
|
|
C (kPa)
|
Φ (º)
|
C (kPa)
|
φ (º)
|
|
Relave
grueso remoldeado (C11, M-1)
|
0
|
16
|
17,5
|
0
|
16
|
30
|
31 , 5
|
|
Relave
grueso (BH4-SMR3-04)
|
3
|
21
|
24
|
230
|
26
|
0
|
41
|
|
Relave
grueso (C-1,M-1)
|
4
|
19
|
21
|
78
|
35
|
50
|
35
|
|
Relave
grueso (C-2,M-1)
|
6
|
18.5
|
20
|
90
|
51
|
120
|
52
|
|
Relave
grueso (BH5-SMR3-04)
|
7
|
17
|
24
|
120
|
27
|
29
|
36 , 4
|
|
Relave
fino (*)
|
-
|
16,5
|
20,0
|
0
|
25
|
-
|
-
|
|
Cimentación
|
-
|
19
|
20
|
100
|
36
|
10
|
36
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
γtot: peso
específico total del suelo; γSat: peso específico saturado; C: cohesión; φ:
ángulo de fricción interna.
(*) Valor estimado a partir de
estudios anteriores.
Fuente: Elaboración propia
|
|
|
.
6. Resultados del análisis de
estabilidad de taludes
Los análisis de estabilidad de la presa se
realizaron considerando el relave grueso sin exposición, año cero y expuesto a
los agentes meteorológicos. Para el primer caso, se han obtenido valores de FS
de 1,014 en condición pseudo-estática (ver Figura 6). Para el relave con
exposición a los agentes meteorológicos, se han obtenido valores de FS de 1,060
en condición pseudo-estática (ver Figura 7).
DISCUSIÓN
1.
Granulometría de los relaves
Peters (2004) señala que la granulometría de
los relaves es el reflejo del proceso de tratamiento utilizado para la
obtención del mineral, el sistema de colocación y el método del vertido. Las
playas de vertido tienen cierta pendiente hacia el vaso donde se depositan los
relaves finos, dicha pendiente es de 0,5% a 3,0% en los primeros 30 m, luego se
suaviza hasta alcanzar valores del orden de 0,1% en las proximidades del
estanque. En relaves gruesos, las pendientes medias pueden llegar hasta 4% y
6%. En tamaño, los relaves son materiales generalmente superiores a 0,074 mm,
esto significa que menos del 50% son más finos que ese tamaño. Además, las
lamas son “el material predominantemente del tamaño del limo, por lo cual, más
del 50% y menor de 0,074 mm” (Torres, 2014, p. 42).
2.
Variación del esfuerzo desviador y
presión de poros respecto a la deformación de las muestras de relave con el
periodo de exposición de agentes meteorológicos
La Figura 8 muestra la comparación
entre los resultados del esfuerzo desviador y la deformación para las
diferentes muestras analizadas, cuya presión de cámara aplicada es de 4 kg/cm2,
teniendo en cuenta la estimación de los años de disposición de relaves ante
procesos meteorológicos en la presa N.° 3.
Figura 6. Análisis de estabilidad de la presa
de relaves N.º 3. Análisis PE, sin exposición meteorológica (año 0), falla
circular.
Fuente. Elaboración propia.
Figura 7. Análisis de estabilidad de la presa
de relaves N.º 3. Análisis PE, con exposición meteorológica, falla circular.
Fuente:
Elaboración propia
Para el caso de la muestra (alterada) que
representa el año cero, la falla es de tipo frágil, porque, al aumentar el
esfuerzo, la deformación crece y tiende a un valor límite que se conserva, a
pesar de que la deformación siga creciendo hasta valores muy grandes. Para las
muestras inalteradas (años 3, 4, 6 y 7 de disposición de relave), aumenta el
esfuerzo respecto al año cero, lo cual corresponde a una falla de tipo frágil,
es decir, cuando el esfuerzo llega a un máximo, disminuye conforme la
deformación aumenta, pero al crecer la deformación, el valor último tiende a
ser el mismo. En el caso de la muestra que representa el año 6 (C-2 M-1), el
gráfico esfuerzo versus deformación corresponde a la arena cementada, en otras
palabras, la disminución rápida del esfuerzo a partir del valor máximo ocurre
al crecer la deformación.
Figura 8. Deformación unitaria (ε) versus
esfuerzo desviador de la muestra remoldeada y muestras inalteradas ensayadas en
diferentes periodos.
Fuente: Elaboración propia.
La Figura 9 muestra la presión de cámara
aplicada σ3, para las diferentes muestras
inalteradas y remoldeadas, la resistencia es soportada inicialmente por el
agua, de allí empieza el aumento de la presión de poros. Para la muestra
remoldeada SPT CM-11, la presión de agua soporta en todo momento a la
resistencia del material de relave. La presión de poros se vuelve negativa en
la muestra BH4SMR3, a partir de la deformación unitaria 10.0%; en la muestra
C-1 M-1, a partir de la deformación 6,5%; y en la muestra C-2 M-1, a partir de
la deformación 2.0%. Esta disminución y cambio de signo en la presión de poros
significa que la carga está siendo soportada por las partículas de relave y que
aumenta la tensión efectiva del relave.
3.
Variación de la densidad del relave
con el periodo de exposición meteorológica y su influencia con los parámetros
de resistencia cortante
De acuerdo a las muestras estudiadas en
diferentes periodos de disposición del relave grueso, la densidad natural, para
el año cero (“0”) es de 1,77 g/cm3; para el año 3 es de 2,33 g/cm3; para el año 4 es de 2,18 g/cm3; para el
año 6 es de 2,02 g/cm3; y para el año 7 es de 2,06 g/cm3. Como se indicó, la densidad inicial (año cero) es baja; sin embargo,
según pasan los años de disposición del relave, se incrementan las densidades.
De la misma forma ocurre con los parámetros de resistencia cortante, pues estos
se intensifican debido a la consolidación secundaria. Sobre ese punto, Badillo
y Rodríguez (2005) señalan que la consolidación secundaria se atribuye generalmente
al deslizamiento progresivo referido al tiempo entre las partículas del
material que se reacomodan y se obtienen en un estado más compacto para
adaptarse a la nueva condición de carga. Entonces, el grado de consolidación
influye notablemente en las propiedades de los relaves, los hace menos
deformables, más densos y resistentes. Además, resaltan las variaciones en la
densidad seca durante la consolidación con la reducción del índice de poros, lo
cual lleva a la formación de estructuras más compactas y rígidas. En algunos
casos, los relaves mineros presentan una importante consolidación secundaria
(sin aumento de carga vertical), bien por disgregación de partículas o por
fenómenos de fluencia viscosa (Ayala y Rodríguez, 1986).
4.
Factores de seguridad del análisis
de estabilidad
Según los resultados de análisis de estabilidad
de la presa, los FS para la presa de relaves N.° 3, con el material de relave
expuesto a la meteorización, son más estables en condición PE.
CONCLUSIONES
• Se evaluó el comportamiento de la
resistencia cortante del material de relleno conformado por relave grueso,
además, se tuvo en cuenta las causas meteorológicas y los posibles efectos en
la estabilidad física de la presa de relaves N.° 3. Considerando ese fin, se
realizaron sondeos para obtener muestras inalteradas del material de relave y
se siguieron los procedimientos normalizados. Luego de la extracción de las
muestras, se desarrollaron y validaron los ensayos triaxiales tipo CU con
medición de
la presión de poros. Estos ensayos reflejaron
las características de esfuerzo-deformación y resistencia del suelo por las
circunstancias críticas de la presa de relave, por los efectos de perturbación
de la muestra inalterada y, por ende, de los efectos meteorológicos.
• Los resultados del ángulo de
fricción (φ) obtenidos del relave grueso, en diferentes periodos de exposición
a la meteorización de la presa de relaves N.° 3, en términos de esfuerzos
totales y efectivos, fueron los siguientes: para el año 4, 35º, y para el año
6, 52º y 51º. De acuerdo a la información previa, para el relave sin exposición
meteorológica (año 0) fue de 16,5º y 31,5º, para el año 3 fueron 26º y 41,4º, y
para el año 7 fueron 27º y 36,4º. Esta obtención indica que el ángulo de
fricción aumentó conforme se incrementó el periodo de exposición a los agentes
meteorológicos.
• Los resultados de la cohesión (c)
del relave grueso obtenidos en diferentes periodos de exposición a los agentes
meteorológicos, en términos de esfuerzos totales y efectivos, fueron los
siguientes: para el año 4, 50 kPa y 78 kPa, y para el año 6, 90 kPa y 120 kPa.
De acuerdo a la información previa sobre la presa de relaves N.° 3, para el año
0 fueron 0 kPa y 3 kPa, para el año 3, 230 kPa y 0 kPa, y para el año 7, 120
kPa y 29 kPa. Esta obtención indica que la cohesión aumentó conforme se
incrementó el periodo de exposición a los agentes meteorológicos.
• La densidad natural también obtuvo
resultados: para el año cero “0” resultó 1,77 g/cm3, para el
año 3 resultó 2,33 g/cm3, para el año 4 resultó 2,18 g/cm3, para el año 6 resultó 2,02 g/cm3 y para
el año 7 resultó 2,06 g/cm3. En otras palabras, para el año
inicial la densidad es baja, y ―según incrementan los años de exposición a los
agentes meteorológicos― aumentan las densidades; por lo tanto, los parámetros
de resistencia cortante se deben a la consolidación secundaria. Por ello mismo,
Das (2013) señala que la consolidación secundaria del suelo se produce luego de
la disipación total del exceso de presión del agua intersticial, cuando se
lleva a cabo alguna deformación de la muestra por al reajuste plástico del
suelo.
• A partir del incremento de la
cohesión en materiales básicamente cohesivos en los relaves ensayados (arena
con contenido de finos de 21,99 % en promedio, es decir, porcentaje de finos
bajo malla #200), se determinó que la cohesión se incrementó. Esto produjo una
progresiva cementación del material a causa del contenido mineralógico del
relave, ocasionando presiones intergranulares por los efectos capilares,
produciendo además una “cohesión aparente”. Vale añadir que, según Lambe y
Whitman (1991), la cohesión aparente se pierde en cuanto el suelo se sumerge
bajo el nivel freático.
• Para el relave grueso sin exposición
a los agentes meteorológicos se obtuvo un FS de 1,014 en condición pseudo-estática
(PE) y para el relave con exposición se obtuvo un FS de 1,060 en condición PE.
Es decir, los FS en condición expuesta a estos agentes son mayores que los FS
sin exposición. Estos valores indican que la presa de relaves N.° 3, con el
material de relave expuesto a la meteorización, es más estable en condición PE.
AGRADECIMIENTOS
A los ingenieros Enrique Guadalupe Gómez,
Víctor Abel Tolentino Yparraguirre y Jorge Escalante Contreras, catedráticos de
la Universidad Nacional Mayor de San Marcos, por su constante apoyo en la
revisión y por las correcciones acertadas. Asimismo, a Volcan Compañía Minera
S. A. A., por facilitar sus instalaciones para el estudio pertinente.
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
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escombreras y presas de residuos mineros. Madrid, España: Instituto
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Revista Industrial Data 22(1): 39-60 (2019)
ISSN: 1560-9146 (Impreso) / ISSN: 1810-9993 (Electrónico)
DOI: http://dx.doi.org/10.15381/idata.v22i1.16526
Facultad de Ingeniería Industrial - UNMSM
Shear strength variation of tailings material due to meteorological
causes and its influence on the physical stability
of tailings dam No. 3 Mahr Túnel
Fernando Mendoza
Maldonado [2]
|
Received: 18/10/2018 Accepted: 04/02/2019
ABSTRACT
Meteorological conditions can produce
alterations in the physical and chemical composition of materials stored in a
tailings dam, as they modify their properties and the dam’s slope stability
conditions. In this study, the shear strength behavior of tailings, as a
result of meteorological causes, and its influence on the slope stability of
tailings dam No. 3 Mahr Túnel, was assessed. To this end, consolidated
undrained (CU) triaxial tests were conducted on undisturbed samples retrieved
from the dam for different periods of weather exposure. The results show that
tailings shear strength increases as the weather exposure period increases,
which in turn enhance the factors of safety of the tailings dam stability
analysis.
|
Keywords:
Tailings dams; shear strength; meteorological conditions; CU triaxial test;
physical stability
INTRODUCTION
Considering the importance of the Peruvian
mining industry (due to potential mineral reserves and major existing mining
projects), it is possible to observe the willingness of both the responsible
private sector and the country to commit to the development and promotion of
modern, socially and environmentally responsible mining. Thus, both high-rise
and sequentially raised tailings dams have been built and operated in Peru, in
order to contribute to sustainable development and to promote progress in the
nation. This demands greater technical requirements to guarantee slope
stability of dams, especially with regard to meteorological processes that may
be related to the long-term disposal period, as this generates, for example,
high saturation in dams, which generates pore pressure, a critical factor that
causes dam slope failures.
Researchers Rico, Benito, Salgueiro,
et al. (2007) indicate that while tailings dams are supposed to last forever,
past experience shows that spills are a latent environmental threat,
particularly after mine closure. Additionally, Actis (2000) states that
physical properties of the tailings dams can be determined by friction and/ or
cohesion laboratory testing, and by drained, undrained, slow, quick, and
consolidated triaxial and direct shear tests, considering dam operating
conditions.
Tailings
dam No. 3 of the Mahr Túnel benefit concession is located in the Yauli district
and Province, Department of Junín- Peru at an elevation of 4000 MASL, where
weather is cold due to altitude. The area experiences mostly rainy weather,
with maximum precipitation between November and April, as well as persistent
snow and hailstorms. The annual maximum precipitation is 1188 mm during the wet
season and 576 mm during the dry season (May-November). Furthermore, maximum
temperatures can reach 17 °C, dropping to -13°C in July and falling to near 0°C
between September and December. The average temperature is 5.7 °C according to
the information obtained from the meteorological station at Pachachaca, at 4000
MASL.
It should be mentioned that dam No. 3 has been
exposed to meteorological conditions that have caused regular changes in
temperature, freezing of water and variations in tailings mineralogy.
Similarly, such phenomena have provoked changes in the physical and chemical
composition of the dam, resulting in a variation of the tailings properties
and, consequently, its physical stability.
The foregoing situation has been studied by
several researchers such as Ormazábal (2008), who conducted a study of time
effects assessment (aging) on the static and dynamic behavior of tailings sand
taken from the Ovejería dam (located at La Rinconada de Ovejería, at 550 MASL)
in the Metropolitan region, Chacabuco Province, Chile.
Regarding the influence of meteorological
causes, Joshi, Achari, Kaniraj and Wijiweera (1995) conducted an investigation
by means of laboratory testing in order to study and record the effects of
aging on sand, in addition to reviewing the influence of sand types and fluid
in soil pores. Likewise, Richefeu, El Youssoufi and Radjai (2006) examined the
shear strength properties of wet granular materials in the pendular state
(discontinuous liquid phase) as a function of water content. Sand and sampling
jars were moistened and tested in a direct shear cell under various confining
pressures.
1.
Research Justification
This study aims to more accurately determine
the physical stability conditions of the aforementioned dam. To this end,
geotechnical parameters of the dam filling material have been studied,
considering their variation over time by the effects of meteorological
conditions Thus, as per the factors of safety (FoS) obtained from the slope
stability analysis, it was possible to determine the safety conditions and
environmental actions that should be implemented in the area.
2.
Research Questions
2.1.
General Research Question
How to assess the shear strength behavior of the dam filling material,
comprised of underflow tailings, altered by meteorological causes and aging,
and its influence on slope stability of tailings dam No. 3?
2.2.
Specific Research Question
In accordance with the framework of
geotechnical field investigations, what type of sampling and soil mechanics
testing are appropriate to estimate the variation of shear strength parameters
of the dam in-fill material, comprised of underflow tailings, altered by
meteorological causes, and how does it influence in the slope stability of
tailings dam No. 3?
3. Research Objectives
3.1. General
Objective
Assess the shear strength behavior of the dam in-fill material,
comprised of underflow tailings, considering the meteorological causes and
possible effects on the physical stability of tailings dam No. 3.
3.2.
Specific Objective
Determine the shear strength variation of the
dam in-fill material, comprised of underflow tailings. Evaluate said variation
through triaxial testing of undisturbed samples, which are representative
samples of material exposed to meteorological conditions and establish the
influence of meteorological conditions on the slope stability of tailings dam
No. 3.
METHODOLOGY
1.
Collection and analysis of existing
data
This consisted of the collection and analysis
of data regarding site conditions, engineering designs, construction and
operational reports of tailings dam No. 3, provided by Volcan Compañía Minera
S.A.A. Additionally, information
regarding the storage facility permits was obtained from the Ministry of Energy
and Mines of Peru.
2.
Field investigation and laboratory
testing 2.1. Geotechnical investigation
A program of field and laboratory geotechnical
investigations was conducted, and data from previous studies was also used.
Boreholes with test pits, conveniently located and distributed within tailings
dam No. 3 were carried out in order to obtain undisturbed samples of tailings.
Following a detailed description of the material, undisturbed samples were
taken, which were identified and protected in order to be sent to the soil
mechanics laboratory.
2.2. Field geotechnical investigation
To obtain tailings samples that
reflect the actual disposal conditions before meteorological conditions,
undisturbed samples from the dam were analyzed and three test pits located and
distributed within the tailings dam were carried out. In order to obtain
undisturbed tailings samples, according to the depth recorded by the test pit,
fresh, moist tailings samples were considered. Then, the surface was prepared
by marking the outline of the upper face of the sample. Figures 1 and 2 show
the undisturbed samples.
To complement this information, data on the
geotechnical boreholes conducted during the construction and operations stages
of the tailings storage facility was used.
3.
Laboratory testing
In order to demonstrate the real conditions of
the tailings material, a consolidated undrained (CU) triaxial test with pore
pressure measurement was conducted on the sample. In this way, these tests can
compensate for the effects of disturbance resulting from the extraction of the
undisturbed samples. In addition, available reports on triaxial testing with
similar characteristics to those of the sample type and confining pressures
were considered. Selected prototypes were compressed using confining stress
values (σc) of 1.0, 2.0 and 4.0 kg/cm2. The
testing was conducted on the soil mechanics laboratory of the Pontificia
Universidad Católica del Perú (PUCP). Likewise, index testing (physical
properties) were conducted to identify and classify the material as per the
Unified Soil Classification System (USCS). The triaxial test consisted in
preparing soil specimens wrapped with a membrane used to drain and maintain
control of pore pressure within the sample; therefore, porous stones were
placed at the base and the upper part of each sample (González de Vallejo,
Ferrer, Ortuño & Oteo, 2002).
3.1. Office research
•
Estimation
of the age of existing and recent undisturbed samples boreholes, based on
topographic information and geotechnical boreholes conducted in various design
studies for the raising of tailings dam No. 3, from 2007 to 2016.
•
Production
of borehole distribution plan view drawings and projection of the periods of
exposure to meteorological conditions.
• Analysis, interpretation and
discussion of the results obtained from both the CU triaxial testing and the
standard testing of the different samples, according to the period of exposure
to meteorological conditions.
• Estimation of physical and shear
strength of underflow tailings parameters based on laboratory reports.
•
Geotechnical
model determination based on different materials and geometry parameters defined
for storage periods.
•
Stability
analysis of the tailings dam according to the geotechnical model designed for
the initial stage and for different periods of meteorological exposure.
Figure 1. Sample extraction and paraffin
coating.
Source:
Prepared by the author
Figure 2. Packing
and transport of a 30x30x30 cm3 undisturbed tailings sample.
Source: Prepared by the author.
RESULTS
Considering the objectives of this study,
geotechnical studies regarding the undisturbed tailings samples were conducted
in order to determine their behavior against meteorological conditions over
time. The results are described below.
1.
Estimation of periods of tailings
disposal
Figure 3 shows the age estimation of
undisturbed samples obtained from three test pits. The diagram was produced
based on topographic information from the dam raise and the period of tailings
disposal.
2.
Particle size distribution of
tailings
According to the index tests and the USCS,
underflow tailings classifies as silty sands (SM) and silty-clayey sands
(SM-SC). The sand content (#+200) ranges between 57% and 83%, whereas fines
content (#-200) ranges between 16% and 42 %.
3.
Shear strength variation based on
time of exposure to meteorological conditions
The triaxial testing results, in terms of total
stress, indicate that when weathering time (disposal) is increased, undrained
shear strength “increases” as well. This indicates that time of exposure to
meteorological conditions influence the increase on tailings cohesion and
friction angle.
Figure 4 shows the comparison friction angles
results. Thus, sample BH4-SMR3 has an estimated disposal period of three (3)
years, increased by 60% compared to the initial disposal year "zero"
(0). It is followed by an increasing trend until disposal year six (6). An
increase of up to 200% is observed in sample C-2 M-1. Meanwhile, a decrease of
up to 68% regarding year seven (7) compared to year zero (0) is observed for
sample BH5-SMR3.
Figure 5 shows the comparison of the cohesion
results. For year zero (0), a cohesion value equal to 0 kg/cm2 is observed in sample SPT CM-11; whereas a sudden increase that reaches
cohesion values equal to 230 kg/cm2 is
observed in sample BH4SMR3, with three (3) years of disposal. However, a
decrease that reached cohesion values of 78 kg/ cm2 is
observed in sample C-1 M-1 for year four (4). A progressive increase in
cohesion is expected for the following years.
Figure 3. Age estimation of samples based on
the curve: tailings dam crest elevation versus period of tailings disposal
Source: Prepared by the author.
4.
Slope stability analysis
4.1.
General
The following was considered for the slope
stability analysis of tailings dam No. 3:
• A cross-section analysis based on
the current geometric configuration of the dam and boreholes was developed,
which was used to estimate the distribution of materials.
•
The
cross-section represents the dam’s critical conditions, that is, the greatest
slope angle, seismic load, water table conditions, among others.
•
The
limit equilibrium method was used to assess the slope sliding resistance,
considering certain hypotheses regarding failure mechanisms, equilibrium
conditions, water table surface, shear strength parameters, etc.
4.2.
Analysis methodology
• SLIDE software (Rocscience version
6) was used to interactively model the slope geometric configuration as well
as to define different materials,
considering their geotechnical properties (physical and mechanical).
•
The
determination of the factors of safety (FoS) was based on the work conducted by
Quispe (2015), who notes that it is “se
lleva a cabo de manera bidimensional usando el concepto de equilibrio límite,
aproximando el problema a un estado de deformación plana” [conducted in a
two-dimensional way following the concept of the limit equilibrium, approaching
the problem to a state of plane strain] (p. 4). Furthermore, this author states
that the critical failure surface is the one that possesses the lowest FoS, the
same that is found interactively by modifying failure surface search conditions
as well as by evaluating circular slip surfaces.
• At the same time, as hypothesis of
the stability analysis, “se considera que
las propiedades [físicas y mecánicas] de los materiales que conforman las
estructuras analizadas son homogéneas e isotrópicas y que el colapso se
produciría como resultado de fallas simultáneas a lo largo de la superficie de
deslizamiento” [considers that the properties [physical and mechanical] of
materials that comprise the analyzed structures are homogeneous and isotropic,
and that collapse would occur as a result of simultaneous failures along the
sliding surface] (Quispe, 2015, pp. 4-5). The pseudo-static stability analysis
subjects a two-dimension sliding mass to a horizontal acceleration equal to the
seismic coefficient multiplied by the gravity acceleration.
•
The
method proposed by Hynes-Griffin and Franklin (1984) is used for the
pseudostatic stability analysis, which requires the reduction of shear strength
properties of material up to 20% for materials subjected to a pore pressure
water increase under cyclic conditions (earthquakes).
Figure 4. Shear
strength variation of underflow tailings friction angle in terms of total stress.
Source:
Prepared by the author.
Figure 5. Variation of underflow tailings
cohesion regarding total stress.
Source:
Prepared by the author.
4.3.
Design seismic factor
The design parameter specified for the study
area is a peak ground acceleration of 0.3 g, with a 10% exceedance probability
in 50 years of exposure to seismic events, corresponding to a 475-year return
period. The recommended coefficient of stability under pseudo-static conditions
ranges between 1/2 and 1/3 times the peak ground acceleration value. In their
study, Rennat and Miller (1997) used a seismic coefficient of 0.15 g, which is
equal to ½ of the expected peak ground acceleration of 0.3 g.
4.4.
Water
table
Water table depths are between 16.20 m and
14.60 m from the soil surface. These water levels act as a piezometric level,
as they mainly affect foundation soil and bedrock, which constitutes a
conservative hypothesis since water level is not continuous. In fact, Rodríguez
and Oldecop (2011) state that water from seepage within the tailings dam
quickly saturates pores and partially fills them with capillary water. In
addition, the proximity of water table to the dam’s outer slope has
destabilizing effects.
5.
Geotechnical parameters
Table 1 shows the geotechnical properties of the different materials
used in the slope stability analysis. These shear strength parameters resulted
from the CU triaxial testing on undisturbed and disturbed samples
Table 1. Summary of geotechnical properties of materials.
|
Material
|
Disposal year
|
γ (kN/3 sec
m )
|
γ (kN/3 sat
m )
|
Total
|
Effective
|
|
C (kPa)
|
Φ (º)
|
C (kPa)
|
φ (º)
|
|
Remolded underflow tailings sample (C11, M-1)
|
0
|
16
|
17.5
|
0
|
16
|
30
|
31.5
|
|
Underflow tailings (BH4-SMR3-04)
|
3
|
21
|
24
|
230
|
26
|
0
|
41
|
|
Underflow tailings (C-1,M-1)
|
4
|
19
|
21
|
78
|
35
|
50
|
35
|
|
Underflow tailings (C-2,M-1)
|
6
|
18.5
|
20
|
90
|
51
|
120
|
52
|
|
Underflow tailings (BH5-SMR3-04)
|
7
|
17
|
24
|
120
|
27
|
29
|
36.4
|
|
Overflow tailings (*)
|
-
|
16.5
|
20.0
|
0
|
25
|
-
|
-
|
|
Foundation
|
-
|
19
|
20
|
100
|
36
|
10
|
36
|
γtot: total unit weight; γSat: saturated unit weight; C: cohesion; φ:
internal friction angle.
(*)
Value estimated from previous studies.
Source:
Prepared by the author.
|
6.
Results of the slope stability
analyses
The dam stability analyses were performed
considering underflow tailings not exposed to meteorological conditions, year
zero, and underflow tailings exposed to meteorological conditions. For the
first case, FoS values of 1.014 were obtained under pseudo-static conditions
(see Figure 6). For the second case, FoS values of 1.060 were obtained under
pseudo-static conditions (see Figure 7).
DISCUSSION
1.
Particle size distribution of
tailings
Peters (2004) indicates that the particle size
distribution of tailings reflects the treatment process used to obtain the ore,
the placement system and the disposal method. Beach slope towards the reservoir
where overflow tailings are deposited ranges between 0.5% and 3.0% in the first
30 m, then decreases up to 0.1% in the proximity of the pond. In the case of
underflow tailings, average slopes can reach 4% and 6%. In terms of size, tailings
are generally bigger than 0.074 mm, which means that less than 50% of them are
smaller than said size. In addition, lamas is “el material predominantemente del tamaño del limo, por lo cual, más del
50% es menor que 0,074 mm” [the material predominantly of the size of silt,
therefore, less than 50% is smaller than 0.074 mm] (Torres, 2014, p. 42).
2.
Variation of deviator stress and
pore pressure with respect to the deformation of tailings samples with exposure
periods of meteorological conditions.
Figure 8 shows the comparison between the
deviator stress and strain results obtained for the various analyzed samples,
with a chamber pressure of 4 kg/ cm2,
considering the estimated number of years that tailings were exposed to
meteorological conditions in dam No.3.
Figure 6. Tailings dam No. 3 stability
analysis. Pseudo-static slope stability with no exposure to meteorological
conditions (year 0), circular slip surface.
Source: Prepared by the author.
Figure 7. Tailings dam No. 3 stability
analysis. Pseudo-static slope stability with exposure to meteorological
conditions, circular slip surface.
Source: Prepared by the author.
A fragile-type failure is observed for the
(disturbed) sample representing year zero, because, as stress increases, strain
increases and tends to have a limit value that remains even though strain
continues to increase to very high values. For undisturbed samples (years 3, 4,
6 and 7 of tailings disposal), strain increases with regard to year zero, which
corresponds to a fragile-type failure, that is, when stress reaches a maximum
value, it decreases as strain increases, but as strain increases, the last
value tends to be the same. For the sample representing year 6 (C-2 M-1), the
stress-strain curve corresponds to cemented sand, in other words, the rapid
decrease of stress from the maximum value occurs when strain increases.
Figure 9 shows the applied chamber
pressure σ3 for each undisturbed and remolded
sample. Shear strength is initially withstood by water, and then pore pressure
within the tailings increases. For remolded sample SPT CM-11, water pressure
withstands tailings shear strength at all times. Pore pressure becomes negative
in sample BH4-SMR3 at a strain of 10.0%; in sample C-1 M-1 at a strain of 6.5%;
and in sample C-2 M-1 at a strain of 2.0%. This decrease and change in pore
pressure indicates that tailings particles withstand the load and that tailings
effective stress is increasing.
3.
Variation of tailings density with
meteorological exposure periods and their influence on shear strength
parameters
Based on the studied samples of different
disposal periods of underflow tailings, density in situ for year 0 is 1.77 g/cm3; for year 3, 2.33 g/cm3; for year 4, 2.18 g/ cm3; for year 6, 2.02 g/cm3 and for year 7, 2.06 g/cm3. As indicated, initial density (year 0) is low; however, densities
increase as disposal years pass. The same occurs to shear strength parameters,
which increase due to secondary consolidation. In this regard, Badillo and
Rodríguez (2005) state that secondary consolidation is generally attributed to
the progressive creep among material particles that are rearranged until a more
compact state to adapt to the new load is obtained. Thus, the degree of
consolidation significantly influences tailings properties, rendering tailings
less deformable, denser and more resistant. In addition, variations in dry
density are more noticeable during the consolidation process with the porosity
rate decrease, which leads to the formation of more compact and rigid structures.
In some cases, mine tailings present significant secondary consolidation (no
increase in vertical load), either because particle disaggregation or due to
creep (Ayala & Rodríguez, 1986).
4.
Factors of safety from slope
stability analysis
According to the results obtained from the dam stability analysis,
factors of safety for tailings dam No. 3, with tailings material exposed to
weathering, are more stable in pseudo-static conditions.
Figure 8. Strain (ε) versus deviator stress
of undisturbed samples tested in different periods and the remolded sample.
Source: Prepared by the author.
CONCLUSIONS
• Shear strength behavior of in-fill
material comprised of underflow tailings was evaluated considering
meteorological causes and their possible effects on the physical stability of
tailings dam No. 3. To this end, geotechnical boreholes were conducted to
obtain undisturbed tailings material samples using standardized procedures.
After samples extraction, consolidated undrained triaxial testing with pore
pressure measurement was conducted and validated. Said testing reflected the
stress-strain and soil strength characteristics as a result of the tailings dam
critical conditions, effects of disturbance of the undisturbed sample and,
consequently, of the meteorological effects.
• In terms of total stress and
effective stress, the friction angles results (φ) obtained for underflow
tailings from tailings dam No. 3 exposed to different periods of weathering
were as follows: 35° for year 4, and 52° and 51° for year 6. According to previous data, the friction angles
results for underflow tailings not exposed to meteorological conditions were
16.5° and 31.5° for year 0; 26° and 41.4° for year 3; and 27° and 36.4° for
year 7. These results indicate that the friction angle increased as the period
of exposure to meteorological conditions increased.
• In terms of total stress and
effective stress, the cohesion (c) results obtained for underflow tailings
under different periods of exposure to meteorological conditions were as
follows: 50 kPa and 78 kPa for year 4, and 6.90 kPa and 120 kPa for year 6.
According to previous data regarding the tailings dam No. 3, the cohesion
results obtained were 0 kPa and 3 kPa for year 0; 230 kPa and 0 kPa for year 3;
and 120 kPa and 29 kPa for year 7. These results indicate that cohesion
increased as the period of exposure to meteorological conditions increased.
• The following results were obtained
for in situ density: 1.77 g/cm3 for year 0; 2.33 g/cm3 for year 3; 2.02 g/cm3 for year 6; and 2.06 g/cm3 for year 7. In other words, density is low for the initial year and it
increases as the years of exposure to meteorological conditions increase;
therefore, shear strength parameters result from secondary consolidation. For
this reason, Das (2013) states that secondary consolidation of soil occurs
after the total dissipation of excess pore water pressure, after the sample
experiences straining as a result of the plastic adjustment of soil grains.
• Based on the cohesion increase in
basically cohesive materials present in the tested tailings (sand with an average
of 21.99% fines content, namely, percentage of fines passing sieve #200), the
increase of cohesion was determined. This resulted in a progressive cementing
of material due to the mineralogical composition of tailings, provoking
intergranular pressure for the effects of capillarity, additionally creating an
“apparent cohesion”. It should be noted that, according to Lambe and Whitman
(1991), apparent cohesion is lost as soon as the soil is submerged below the
water table.
• A factor of safety of 1.014 in pseudo-static
condition was obtained for underflow tailings not exposed to meteorological
conditions, and a factor of safety of 1.060 in pseudo-static condition was
obtained for tailings exposed to meteorological conditions. Thus, factors of
safety of tailings exposed to meteorological conditions are greater than those
not exposed to them. These values indicate that tailings dam No. 3, with
tailings material exposed to weathering, has more stability under pseudostatic
conditions.
ACKNOWLEDGEMENTS
To Enrique Guadalupe Gómez, Victor Abel
Tolentino Yparraguirre and Jorge Escalante Contreras, professors at the
Universidad Nacional Mayor de San Marcos, for their continued support in their
careful review of the paper. Likewise, to Volcan Compañía Minera S. A. A., for
making its facilities available for this study.
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