El taponeo del permafrost: La difícil tarea de hacer minería en el Ártico

ProActivo | Especialistas en trabajos de relleno transforman las dificultades que implica la actividad minera en el Polo Norte en oportunidades para la innovación  

La implementación de cemento portland ordinario (OPC por sus siglas en inglés), de uso general, aumentó sus costos y su transporte supone mayores desafíos cuando se trata de las operaciones de relleno de las minas subterráneas de todo el mundo. Sin embargo, estos desafíos son únicos cuando el permafrost y los lugares remotos se suman a esta ecuación, teniendo en cuenta que ya quedó obsoleto el conocimiento y la experiencia en el relleno en minas de climas extremos, de acuerdo a un artículo publicado en CIM Magazine (*).

Un ejemplo de superficie extendida sobre permafrost es Canadá, país que incluso concentra minas en regiones árticas. Los avances respecto a la tecnología de relleno, materiales y aditivos desbloquean propiedades mejoradas de esto para las minas que operan en el frío extremo, regularmente por debajo de 50 grados bajo cero, estabilizando estos emplazamientos y disminuyendo el riesgo de hundimiento y la dilución del mineral.

Encontrando el equilibrio

Según Betty Lin, directora técnica y jefa de prácticas de relaves de Hatch, la clave para hacer un relleno exitoso de las minas subterráneas del Ártico es dar con la proporción adecuada de sólidos, agua y aglutinante. Los sólidos suelen ser residuos áridos o roca estéril y el aglutinante, cemento de uso general. “El relleno tiene que ofrecer suficiente resistencia para que, posiblemente, en siete días, la mina realice voladuras junto a este relleno”, dijo Lin.

Es importante el desafío de optimizar este diseño del relleno porque brinda servicio a las distintas partes y necesidades de la mina, pero no en zonas fuera del hielo permanente puesto que el calor de la reacción química de cemento con agua, conocido como la hidratación, es suficiente para que el relleno se coloque automáticamente. Pero en zonas frías, la congelación repentina de la capa exterior del relleno puede socavar su resistencia.

La optimización de la proporción de cemento en el relleno tiene importantes repercusiones económicas. “La clave está en minimizar el contenido de cemento y maximizar fuerzas y el otro reto es conseguir este material”, mencionó Lin.

Este problema surge con el relleno de pasta cementada (CPB por sus siglas en inglés), mezcla de cemento, residuos y aditivos para producir un hormigón de baja resistencia. Si este relleno fragua antes de tiempo, deja este bloque de hormigón en las tuberías que provoca inactividad, por lo que las tuberías deben ser controladas por presión para detectar obstrucciones a tiempo y diseñados para incluir carretes de ruptura y sistemas de liberación de presión.

Otra amenaza a la resistencia del relleno, también es el cambio de temperaturas, puesto que esto genera deshielo y pensando en ello, se diseñará esta receta de relleno con mayor resistencia.

Establecer el sello en contaminantes

Entre 1948 a 2004, la mina Giant, cerca de Yellowknife, produjo hasta 7.6 millones de onzas de oro y esto originó alrededor de 237.000 toneladas de polvo de trióxido de arsénico, almacenadas en 15 cámaras subterráneas. Como iniciativa del gobierno federal de Canadá, el principal reto de rehabilitar este emplazamiento es garantizar la seguridad de este polvo y se prefiere gestionarlo congelando el suelo para evitar su liberación en el medio ambiente circundante y por último llenar las cámaras con pasta de cemento y relaves superficiales para inmovilizar el arsénico.

Lin estuvo en la primera fase del proyecto de estabilización subterránea de la mina Giant de 2014 a 2016, pasando tres meses en un laboratorio experimentando con distintos tipos de cemento. Utilizó los relaves de superficie existentes para hacer relleno de pasta que se entrega bajo tierra para sellar los rebajes, algunos con trióxido de arsénico y así sanear los terrenos contaminados abandonados por operadores anteriores.

“La planificación y el trabajo de prueba se completaron antes de la puesta en servicio para optimizar las recetas de pasta y cumplir con sus requisitos de calidad, en su resistencia y fluidez”, explica Lin. Se produjeron y utilizaron 60.000 metros cúbicos de pasta para sellar seis tapones en la primavera y verano de 2015.

En esta fase, Lin dosificó y aplicó cemento de escoria. Antes solo se utilizaba OPC, pero ella eligió este cemento porque “la dosificación de prueba demostró que, al usar este cemento, tan solo una mitad fue requerida para alcanzar el objetivo de resistencia a los 28 días y se produjo una consistencia pastosa con propiedades para llenar estas cámaras”.

La velocidad de curación más lenta del cemento de escoria permite gestionar el calor y formar una estructura monolítica. La mayor resistencia a 28 días significó reducir la logística y costo del proyecto, ahorrando millones de dólares, puesto que implica una menor necesidad de cemento.

Encontrando alternativas

Otro factor al establecer una estrategia de relleno es el transporte, cuyo costo y logística aumenta al ser las minas del Ártico tan remotas. De acuerdo a un informe de la Asociación Minera de Canadá en 2023, los costos de transporte por ferrocarril y carretera aumentaron en 50% en los últimos cinco años, sobre todo a fines de 2020. “En el Ártico es aún más difícil para nosotros”, señaló Louis-Philippe Gélinas, experto en geotecnia de Agnico Eagle Mines quien remarca: “Por todos y cada uno de los porcentajes y cada kilogramo de material que estás usando, tú quieres asegurarte que no lo estás usando por nada”.

Mientras en la mina de Meliadine se usaba relleno de pasta y escollera cementada, en Amaruq solo se usaba lo último por su distancia de la fábrica de Meadowbank. Gélinas y su equipo decidieron que el cemento high early (HE) es la mejor opción como aglutinante para rellenar estas minas por encima del cemento de uso general o de cenizas volantes usado en las minas situadas hacia el sur.

En comparación con el cemento de uso general, que tardaría una semana en fraguar en las mismas condiciones, el cemento HE sólo necesita tres días para fraguar. Como es más fino y se hidrata más rápidamente, puede resultar más complejo utilizarlo en el relleno, pero un tiempo de reacción más rápido es clave en el Ártico porque las bajas temperaturas acaban por detener el proceso de hidratación, el que según Gelinas, pudieron vencer.

Su equipo además concluyó que el agua reciclada de la minería en el Ártico, que contiene mucha salmuera, era adecuada para este relleno, debido a que la sal en la cantidad adecuada acelera la hidratación del cemento y ralentiza la congelación. El descubrimiento también tuvo una ventaja medioambiental. “Teníamos que almacenar y tratar esta agua y ahora podemos utilizarla en el relleno”, dijo Gélinas.

También descubrieron que tener una mezcla adecuada en el cemento es clave en climas muy fríos, a diferencia de los cálidos que tienen menos exigencias.

Sólido congelado

Si bien tradicionalmente el relleno se realiza con cemento como aglutinante, la logística puede ser complicada como ocurre para el proyecto de diamantes Chidliak de De Beers, en la isla de Baffin (Nunavut). “El transporte sería muy difícil y suele hacerse por aire, porque no hay carreteras”, indica Fatemeh Tavanaei Sereshgi, doctoranda en ingeniería de minas de la Universidad McGill, quien investiga junto al profesor Ferri Hassani los aspectos y procesos de relleno de dicho proyecto.

Estos costos del cemento y su transporte impulsaron a De Beers a buscar otros métodos de relleno. Es así que el equipo eliminó por completo el cemento de la ecuación y lo sustituyó por agua que se congela en los taludes para adaptarla a la nueva técnica minera: perforar y rellenar desde la superficie.

En Chidliak el plan es rellenar los pozos de caída vertical, perforados desde la superficie con estériles y agua de la nieve derretida y masas de agua cercana, congelada al colocarse en estos pozos. Según Tavanaei, esto tendría efectos mínimos en la composición química del medio ambiente de la zona, las aguas subterráneas, y estabilizará el permafrost tras la extracción. Las pruebas en el yacimiento señalaron que la temperatura del suelo sería adecuada para un relleno congelado de hasta 450 metros por debajo de la superficie, puesto que el permafrost se extiende hasta esa profundidad; asimismo indicaron que tendría suficiente resistencia.

Este método también comprende los aumentos temporales de temperatura. Los topes verticales son resultado de una novedosa técnica de perforación para garantizar que cualquier deshielo sea muy lento para comprometer la estabilidad antes que se congele nuevamente. “De este modo, aunque el tiempo se vuelva más cálido, no pasará nada”, afirma Hassani.

Sin embargo, este método no está libre de dificultades, puesto que, para el tamaño previsto de los pozos de la mina, el relleno puede tardar entre tres y cuatro meses en congelarse por completo. Esto invita, según Tavanaei Sereshgi, a calcular cuidadosamente la secuencia de los pozos y la programación de las operaciones.

Sustituir el cemento por agua congelada y eliminar el transporte de un material adicional es estratégico además teniendo en cuenta que la mina Chidliak planifica tener la menor huella de carbono posible, puesto que el cemento genera muchas emisiones.

“En el norte, como nuestro medio ambiente es tan frágil, el relleno es muy importante. En lugar de verter los residuos en la superficie, básicamente los entierras en el lugar de donde los sacaste”, finalizó Hassani.

(*) Con información en inglés de CIM Magazine, vol 19