ELEMENTOS DE DISEO DE PILAS DE LIXIVIACINI. INTRODUCCIN

El uso de pilas de lixiviacin para la extraccin de metales diseminados o en bajas concentraciones se a convertido en uno de los mtodos ms populares en los ltimos tiempos y muchos de los proyectos de este tipo han sido desarrollados en minas del Per. Los proyectos ms grandes incluyen a Cerro Verde, Southerm Per Copper Corporation y Yanacocha, y esta tecnologa puede ser aplicable para el tratamiento de minerales de otras minas en el pas. La aplicacin de la lixiviacin en pilas o botaderos depende en primera instancia de la mineraloga, ya que no todos los minerales pueden ser tratados de esta manera. El presente trabajo no pretende desarrollar los temas de mineraloga o metalurgia, sino se presenta como una discusin tcnica de los aspectos geotcnicos e ingenieriles del diseo de pilas de lixiviacin en el Per. La experiencia nos demuestra que este tipo de operacin puede ser empleada satisfactoriamente y operada bajo una amplia variedad de circunstancias y para una variedad de minerales. Este trabajo enfoca particularmente los aspectos de Estabilidad dela Pila, Manejo de Soluciones y Seleccin del Revestimiento. El diseo de una pila de lixiviacin depende enormemente del tipo de mineral a ser lixiviado, la ubicacin de la mina, el clima y el terreno. Estos factores estn completamente fuera del control del planificador o de los que desarrollan el proyecto minero, sin embargo, tienen que ser considerados si el proyecto ha de operar de manera satisfactoria. El mineral puede ser duro, una roca competente o un suelo, roca alterada, y la mineraloga puede ser tal que la composicin del mineral cambie durante o despus dela lixiviacin. Esto es ms comn en el caso de minerales de cobre, donde la ganga o minerales arcillosos son alterados por el cido empleado al lixiviar el cobre, reduciendo el mineral a un suelo arcilloso de baja permeabilidad. Generalmente la altura de la pila de lixiviacin no ser lo suficientemente alta como para fragmentar mecnicamente el mineral, pero en rocas suaves esto debe ser considerado. La composicin del mineral y el tipo de lixiviante determina la permeabilidad del mineral en la pila. La permeabilidad es importante, ya que la presencia de un nivel fretico dentro de la pila puede afectar la estabilidad de la pila, el proceso qumico de la lixiviacin y el inventario de solucin rica almacenada en la pila. La ubicacin de la mina puede impactar grandemente en los costos de construccin de lapila de lixiviacin. En algunos casos es favorable transportar el mineral largas distancias para el procesamiento a un lugar donde los costos de construccin de la planta de tratamiento son ms bajos. Tpicamente, la lixiviacin en pilas es favorable en operaciones con alto volumen y bajas leyes de mineral y en donde el costo del transporte del mineral no resultara econmico. En la mayora de los casos, entonces, las pilas de lixiviacin sern construidas cerca a la mina, en un terreno que requiera algn movimiento de tierra y serias consideraciones de estabilidad de la pila.El clima afecta grandemente a la operacin de una pila de lixiviacin, ya que el principal constituyente del lixiviante es el agua. Una escasez de agua previene la lixiviacin del mineral. Un exceso de agua diluye la solucin lixiviante, reduciendo la eficiencia del proceso de extraccin. La contencin de la solucin es importante por razones econmicas, pero tambin por razones ambientales. Grandes precipitaciones ocasionan una acumulacin de agua de lluvia en el sistema que reduce la ley de cabeza de la solucin e incrementan el riesgo de que el sistema sobrepase sus lmites. En el caso quela capacidad del sistema sea excedida, el ambiente podra ser contaminado. Adems, el contenido metlico extrado se perdera. Un diseo pobre o un manejo deficiente del sistema pueden afectar potencialmente tanto a la economa del proyecto como a la contaminacin del ambiente.2. EL MINERAL Para el diseo de una pila de lixiviacin es importante considerar tanto la resistencia del mineral como su permeabilidad. Estas propiedades son gobernadas por la mineraloga del mineral y la cantidad de chancado que es empleada para preparar el mineral para la lixiviacin. Un mineral fino tendr baja permeabilidad, algunos otros son suelos suaves y no roca dura, estos se consolidarn bajo la carga. Cada cuerpo mineralizado es distinto y debe ser evaluado separadamente. Esto puede ser ilustrado con el hecho que en algunas minas el mineral es lixiviado tal como sale del tajo, despus de la voladura, sin emplear chancado, mientras que en otras, el mineral debe ser chancado a partculas menores de9 mm. Adems, la composicin del mineral puede ser alterada durante la lixiviacin. Esto es muy comn en operaciones de lixiviacin de cobre donde la ganga puede ser descompuesta para formar minerales arcillosos bajo la influencia del cido. El diseador debe entonces predecir las propiedades del mineral durante y despus de la lixiviacin, cuando el mineral ha sido consolidado y posiblemente alterado qumicamente.

La permeabilidad es generalmente determinada empleando un ensayo de permeabilidad de cabeza constante mientras se simula la carga que deber soportar debido a la altura de la pila. La permeabilidad de minerales finos decrecer con el incremento de la carga. Minerales ms gruesos son menos sensibles. La permeabilidad del mineral limita la velocidad de percolacin del lixiviante. La ubicacin de la superficie fretica en la pila es importante cuando se considera la estabilidad de la pila y, en el caso de operaciones de lixiviacin de minerales de cobre, la recuperacin se reduce grandemente si el mineral est saturado. Un buen sistema de drenaje ayudar en el control del nivel fretico. Medir la resistencia al corte del mineral puede ser difcil para mineral grueso o aquel que proviene directo de la mina. Cuando los ensayos de corte directo no pueden ser realizados en el laboratorio, ensayos y observaciones de campo pueden proveer valiosa informacin. El ngulo natural de reposo de una pila de mineral es un indicador razonablemente preciso de la resistencia interna al corte. Ensayos a menor escala pueden ser realizados rpidamente empleando la cuchara de un cargador frontal o la tolva de un volquete, volteando el material hasta que empiece a deslizarse sobre si mismo.3. LA UBICACIN En algunos casos slo existir un solo lugar adecuado para una pila de lixiviacin, pero normalmente habr que seleccionar entre varias opciones. El costo de construccin debe ser evaluado contra el costo de transporte y el riesgo ambiental cuando se seleccione el lugar. Una pila de lixiviacin requerir de un rea razonablemente grande. De emplearse para el apilamiento mtodos mecnicos, las pendientes de la plataforma son muy importantes y debern mantenerse en el orden del 5%. Cuando se utilice camiones para el apilamiento, las tolerancias son menos exigentes y generalmente se usa la topografa existente y se construyen bermas de estabilidad para asegurar el pie de la pila. La topografa en el Per es pocas veces plana y por ende el costo de movimiento de tierras es considerable sin importar que configuracin se seleccione.

El riesgo ambiental puede limitarse reduciendo la exposicin de superficie a la es correnta y evitando las cuencas que estn habitadas aguas abajo. Generalmente es una buena idea mantener todas las instalaciones en una sola cuenca e identificar reas potenciales es para la expansin desde un inicio. La plataforma de lixiviacin requerir de una poza para la coleccin de la solucin rica, y posiblemente otras que colecten y almacenen el agua de tormentas durante la poca de lluvia. La ubicacin de estas pozas tambin tiene que ser considerada.4. ESTABILIDAD DE LA PILALa estabilidad de la pila depender de la resistencia y el grado de saturacin del mineral; las condiciones de cimentacin y del sistema de revestimiento. Adems, hay que considerar el riesgo ssmico ya que es una realidad en el Per.4.1. Coleccin de la Informacin

La informacin que se requiere colectar para poder efectuar un anlisis de estabilidad debe incluir lo siguiente:

Una investigacin geotcnica de campo para determinar la profundidad y consistencia del suelo bajo la superficie. Esto puede involucrar ensayos in situ, pero generalmente se colectarn muestras para ensayos de consolidacin y resistencia. Una buena investigacin proveer suficiente informacin que permitir el desarrollo de un plano geolgico desde la superficie hasta el basamento rocoso. El programa de investigacin generalmente se paga solo ya que permitir que el diseo sea costo efectivo.

Ensayo de los materiales. Los materiales de cimentacin y el mineral deben ser ensayados para determinar la resistencia y la permeabilidad del material. Materiales de grano fino pueden ser ensayados empleando una mquina triaxial y materiales ms gruesos con un permemetro uniaxial y corte directo.

Ensayos de columna son generalmente empleados para determinar las propiedades de lixiviacin del mineral. Generalmente se realiza un ensayo de drenaje una vez que se ha concluido el ciclo de lixiviacin, y esto proporciona una buena indicacin de la permeabilidad del mineral. Una muestra de mineral despus de lixiviado debe ser ensayada para determinar si las propiedades han sido alteradas por el lixiviante. La densidad y humedad relativa del mineral despus de lixiviado tambin se requiere, ya que esto representa las condiciones que deben esperarse en la pila.4.2. Anlisis de EstabilidadLa estabilidad de los taludes depender de las propiedades de resistencia del material, la aceleracin ssmica y la geometra. Siendo difcil modificar las propiedades de resistencia del material o la sismicidad en la regin, la geometra debe ser diseada de tal manera que provea una adecuada estabilidad. Generalmente, se consideran dos tipos de falla: una con superficie circular o casi circular y la otra en bloque. Anlisis de fallas tipo bloque arrojan generalmente valores menor es de factor de seguridad, ya que el revestimiento debajo de la pila tiene una menor resistencia que el mineral o la cimentacin.

Fig. 4.1 Tipos de Falla de las Pilas de LixiviacinLa construccin de bancos en la pila permite obtener ngulos de talud general ms echados y se pueden lograr fcilmente donde las pilas se construyen por capas. La geometra de las pilas puede ser por lo tanto manipulada de tal manera que el factor de seguridad de la pila pueda ser alcanzado. Tpicamente taludes de 2 horizontal a 1 vertical son considerados razonables, con taludes ms echados en zonas crticas.

Las cargas ssmicas deben ser consideradas seriamente en toda estructura que se construye en el Per. Las aceleraciones del terreno anticipadas estn bien documentadas para la mayora de las regiones y localmente se colecta informacin que permita efectuar un anlisis de riesgo ssmico. Se acostumbra considerar el sismo de diseo para cierto periodo de retorno, generalmente 1:500 aos, que es ligeramente menor que el mximo terremoto esperado. Se espera que las instalaciones diseadas puedan seguir operando aun despus de la ocurrencia de un sismo de diseo. El desplazamiento de la pila durante un evento ssmico mximo esperado deber ser estimado y tendr que tomarse en cuenta en el diseo. La intencin aqu ser la de mantener contenida a la solucin y a la pila en todo momento, a pesar que existan daos al sistema.4.3. Elementos Empleados para Mejorar la EstabilidadGeneralmente el modo de falla es tipo bloque a lo largo de la lnea de interfaces en la base de la pila. Esta es una funcin del bajo ngulo de friccin entre el revestimiento sinttico y el suelo fino colocado debajo de l. Comnmente se utiliza una membrana sinttica como el revestimiento impermeable bajo la pila, y requiere una capa de proteccin de suelo fino debajo de ella. Este suelo fino es generalmente diseado para actuar como una segunda capa impermeable de existir material adecuado. Tpicamente la membrana sinttica es suave y presenta una zona de baja resistencia. ngulos de friccin tpicos varan de = 10 y = 20, dependiendo de este material y la naturaleza del suelo empleado como capa de proteccin. El ngulo de friccin puede ser mejorado si se emplea un revestimiento sinttico texturado. La textura es generada rociando material sinttico sobre la lmina en un lado de la membrana o en ambos y puede mejorar la resistencia al corte de las interfaces suelo/membrana. Cuando no es posible cambiar el talud de la plataforma, el uso de bermas de estabilidad en el pie puede producir resultados aceptables. La construccin de las bermas puede ser difcil si no se hace con cuidado y los taludes no deben ser muy empinados.

El talud seguro de la pila depender de la resistencia del mineral y ser algo menor que el ngulo natural de reposo. Es por lo tanto normal emplear retiros para mantener un talud general de 2H: 1V o menor. La falla de taludes de banco debido a saturacin local olavado ser depositada en estos retiros o banco de seguridad. Estos bancos limitan la cantidad de material que llega hasta la base de la pila y posiblemente dae el revestimiento y las instalaciones abajo.

Figura 4.1 Seccin Tpica de la Plataforma de Lixiviacin5. Manejo de la SolucinLa solucin lixiviante contiene bajas concentraciones de elementos qumicos que pueden ser dainos para el ambiente y valores de metales que deben ser recuperados para ser vendidos. Por ello es imperativo que la solucin sea manejada apropiadamente y que bajo ninguna circunstancia se pierda. Lograr una operacin con descarga cero al ambiente depende de la ausencia de fugas, as como de proveer una adecuada capacidad de almacenamiento para el agua de lluvia colectada en la pila de lixiviacin. La pila de lixiviacin deber tener por lo tanto un sistema de recubrimiento adecuado, bermas perimetrales para mantener la solucin dentro y para almacenar la solucin antes de ser procesada y posiblemente pozas adicionales para almacenar el agua de lluvia y de tormentas.5.1. Balance de Agua Estimar las necesidades de agua en las instalaciones, de almacenamiento o de tratamiento y descarga de agua es esencial para el planeamiento de instalaciones de descarga cero. Esto requiere de informacin meteorolgica de lluvias y evaporacin, as como informacin acerca del tamao de la plataforma de lixiviacin y de la cantidad de mineral a ser lixiviado. Almacenamiento puede ser requerido an si existiera mayor evaporacin que precipitacin cada ao ya que en esos meses la precipitacin exceder a la evaporacin. Los siguientes elementos constituyen los parmetros para el balance de agua:

Cuenca de la plataforma de lixiviacin y de las pozas,

rea de la superficie de lixiviacin donde puede ocurrir evaporacin,

rea de la superficie de las pozas donde puede ocurrir evaporacin,

Contenido de humedad inicial del mineral,

Contenido de humedad del mineral despus de lixiviado,

Cantidad de mineral colocado en la pila,

Precipitacin,

Ratio de evaporacin.Es comn calcular la ganancia o prdida neta de agua mensualmente y de esta manera de terminar:

si el abastecimiento de agua esta creciendo o decreciendo,

el volumen de almacenamiento requerido,

el volumen de agua para completar las necesidades, si se acumular un exceso de agua a lo largo de la vida del proyecto. Si este fuese el caso, el agua excedente deber ser tratada para cumplir con los lmites permisibles y luego descargada al ambiente.Datos meteorolgicos confiables son necesarios para efectuar el balance de agua, siendo20 aos de registro considerados como razonable cantidad de informacin. Donde no existen registros, se puede estimar un valor empleando informacin de lugares cercanos. Debe considerarse un factor adicional debido a la inexactitud de este estimado y la recoleccin de informacin en el lugar deber iniciarse cuanto antes con el fin de comprobar el estimado elaborado.5.2. Agua de TormentaLa contencin de agua de tormenta es imperativa y es generalmente considerada independiente del balance de agua. Se acostumbra considerar un evento que ocurrira durante 24 horas cada 100 aos, sin embargo se recomienda que se considere dos eventos de 24 horas en 100 aos para la regin costera del Per. Dos consideraciones importantes son:

El agua colectada en la plataforma de lixiviacin y en las pozas no deber exceder la capacidad de la plataforma o las pozas.

Agua procedente de fuera de las instalaciones no deber fluir hacia o dentro de la plataforma o las pozas.

El diseo por lo tanto deber considerar canales de derivacin y detalles alrededor de los bordes de la plataforma de lixiviacin para mantener el agua de tormenta fuera del sistema. Se deber considerar en el diseo de las pozas el agua proveniente de la plataforma.5.3. Medidas para Limitar la Evaporacin o Agua de Lluvias Diversos tipos de aspersores o rociadores estn disponibles para la irrigacin de las pilas. Diferentes sistemas resultan en mayor o menor evaporacin y la operacin puede ser cmoda da de tal manera que se cumplan los requisitos de balance de agua. Si los operadores desean ahorrar agua, un sistema de riego por goteo puede ser utilizado.

Para reducir el rea de captacin de la plataforma de lixiviacin, es comn la construccin de la plataforma necesaria para ese ao nicamente. Espacio de plataforma adicional se construir a medida que sea requerida. En reas de altas precipitaciones plataformas no permanentes (on - off) pueden ser ms econmicas que tratar un volumen considerable de agua. El empleo de cobertores para evitar que el agua de lluvia ingrese a las pilas han sido recientemente empleados en Yanacocha con resultados satisfactorios. Este sistema reduce efectivamente el rea de captacin de la plataforma de lixiviacin y se puede arreglar de tal manera que no estorbe la carga de la pila.

Figura 5.1 Esquema del Balance de Agua6. SELECCIN DEL REVESTIMENTOLa seleccin del sistema de revestimiento depender de los productos disponibles, del costo, y del servicio requerido. Por ejemplo, en una plataforma on - off donde el mineral ser apilado 5 m de alto seis veces al ao tiene diferentes requerimientos que una pila permanente de 100 m de altura.

Diferentes materiales han sido utilizados en el pasado para este fin, incluyendo revestimiento con suelos, asfalto, concreto, suelos reforzados con bentonita, geomembranas y sin revestimiento cuando la geologa lo ha permitido. En la mayora de estos casos un revestimiento ha sido necesario y beneficioso, es necesario para proteger el ambiente y puede generalmente ser justificado basndose en los metales que son retenidos en el sistema. Ms recientemente el uso de revestimientos con membranas sintticas es el mtodo ms popular debido a la facilidad de instalacin, la calidad de la instalacin y el costo. Varias instalaciones de este tipo de se han realizado en el Per, y se ha desarrollado gran experiencia local en este tipo de instalaciones.6.1. Configuraciones del Revestimiento Membranas sintticas son fabricadas de Cloruro de Polivinilo (PVC) o de polmeros de polietileno de varios grados, cada uno de los cuales esta disponible en varios espesores. El costo es aproximadamente proporcional al espesor de la membrana. Diversas configuraciones han sido utilizadas satisfactoriamente en el pasado, las ms comunes se ilustran abajo:

Figura 6.1 Ejemplos de Configuracin para las Capas de Proteccin ImpermeablesEl uso de revestimientos compuestos por una capa de suelo de baja permeabilidad debajo de una membrana, es altamente efectivo y provee mayor seguridad contra fugas. La disponibilidad de suelos de baja permeabilidad en la zona, puede ser utilizada de manera barata para proveer un mejor producto final.6.2. Sistema de DrenajeEs comn colocar algn sistema de drenaje bajo la pila y por encima del revestimiento con la finalidad de reducir la cantidad de solucin almacenada en la pila y la cabeza en el revestimiento. La reduccin de la presin sobre el revestimiento reduce la posibilidad de fugas a travs del revestimiento de existir pequeos agujeros en la membrana. Un buen drenaje es por lo tanto muy importante para la reduccin de prdidas del sistema.Generalmente se emplean tuberas, el espacio entre tubos es una funcin de la pendiente de la plataforma y de la permeabilidad del mineral. Las tuberas generalmente se instalan en una capa de grava limpia de drenaje directamente sobre el revestimiento o sobre una capa protectora de arena.6.3. Pruebas en el Sistema de Revestimiento Una vez seleccionada la configuracin deseada, es necesario probar diferentes espesores de membranas para asegurar que se comportarn tal como se desea. Este tipo de pruebas consiste en preparar una muestra de la seccin del revestimiento y aplicar sobre ella una carga normal equivalente a la que sera impuesta por la pila. Esta carga puede ser considerable. Por ejemplo, una pila de 80 metros de altura resultara en una carga de compresin bajo la pila de aproximadamente 1.5 MPa. El objetivo es mostrar que el revestimiento no ser daado bajo la carga de diseo. Ensayos a mayores escalas pueden realizarse en la seccin completa incluyendo las tuberas y la capa de drenaje, para comprobar la integridad del sistema completo de revestimiento y drenaje. Equipos muy sofisticados son necesarios para este tipo de ensayos debido a las altas cargas que hay que simular.

Figura 6.2 Instalacin Tpica para la Prueba de Integridad de la Capa de Proteccin7. CONCLUSIONES

Es importante considerar el mineral y el ambiente en el cual se va a operar la pila de lixiviacin si se desea que el diseo sea apropiado. El uso de los materiales de la zona, puede en muchos casos resultar en un diseo costo efectivo que provea un alto grado de proteccin ambiental. Se ha ilustrado que es necesaria una detallada informacin del clima para el diseo de una instalacin de pilas de lixiviacin, y que se debe tener mucho cuidado en la estimacin de esta informacin a partir de estaciones alejadas. La estabilidad de la pila es clave para una operacin exitosa a largo plazo y por lo tanto debe ser evaluada en detalle. La resistencia en la interface del revestimiento es crtica y esta capa es generalmente el plano de falla preferencial. La determinacin del ngulo de friccin en esta interface empleando para ello ensayos de corte directo es esencial.

REFERENCIAS

1. VanZye, Dirk, (Editor) GEOTECHNICAL ASPECTS OF HEAP LEACH PAD DESIGN.SOCIETY OF MININO ENGINEERS, 1987.2. GUA AMBIENTAL PARA PROYECTOS DE Lixiviacin EN PILAS, MINISTERIO DE ENERGA Y MINAS, 1995.