Stability analysis of dam failures. Application to aurul tailing pond in Baia Mare (Romania)

La gestión de estériles de una explotación minera es un punto clave en el desarrollo económico de una actividad extractiva, y en especial, del entorno natural y social en el que se emplaza dicho proyecto. La minería de metales preciosos lleva asociada la construcción de balsas de residuos muy peligrosos, fruto de su proceso extractivo, como por ejemplo la cianuración en el caso del oro. Para un correcto funcionamiento de dichos emplazamientos es necesario escoger correctamente el método constructivo a partir de estudios de reconocimiento previos, como estudios de estabilidad geotécnica, contexto geológico de la zona, sismicidad, hidrología, etc. Así mismo, han de llevarse a cabo unas exhaustivas medidas de control y vigilancia para asegurar las condiciones de seguridad exigidas. La ruptura de la balsa de decantación de Aurul S.A. en Baia Mare (Rumania) el 30 de Enero del año 2000 ha sido escogido como caso de estudio de estabilidad de diques. ABSTRACT Tailing's management of a mining exploitation is a key point in the economical development of the extractive activity and, especially, of the natural and social environment of the site. Precious metals mining has high hazardous embankment construction associated, product of its extractive process, i.e. gold cyanidation. A correct operation of those sites makes necessary to choose a suitable construction method, based on previous studies as geotechnical stability studies, geological context of the area, seismicity, hydrology, etc. At the same time, exhaustive control and monitoring must be carried out in order to assure the required safety conditions. Aurul's decantation pond failure in Baia Mare (Romania), on 30th January 2000, has been chosen as a stability analysis case-study.

Fuzzy MCDA for remediation of a uranium tailing

The Pridneprovsky Chemical Plant was a largest uranium processing enterprises, producing a huge amount of uranium residues. The Zapadnoe tailings site contains the majority of these residues. We propose a theoretical framework based on Multi-Criteria Decision Analysis and fuzzy logic to analyse different remediation alternatives for the Zapadnoe tailings, in which potentially conflicting economic, radiological, social and environmental objectives are simultaneously taken into account. An objective hierarchy is built that includes all the relevant aspects. Fuzzy rather than precise values are proposed for use to evaluate remediation alternatives against the different criteria and to quantify preferences, such as the weights representing the relative importance of criteria identified in the objective hierarchy. Finally, it is proposed that remediation alternatives should be evaluated by means of a fuzzy additive multi-attribute utility function and ranked on the basis of the respective trapezoidal fuzzy number representing their overall utility.

Analysis of the static and dynamic behaviour of hydraulic fills

En la actualidad existe un gran conocimiento en la caracterización de rellenos hidráulicos, tanto en su caracterización estática, como dinámica. Sin embargo, son escasos en la literatura estudios más generales y globales de estos materiales, muy relacionados con sus usos y principales problemáticas en obras portuarias y mineras. Los procedimientos semi‐empíricos para la evaluación del efecto silo en las celdas de cajones portuarios, así como para el potencial de licuefacción de estos suelos durantes cargas instantáneas y terremotos, se basan en estudios donde la influencia de los parámetros que los rigen no se conocen en gran medida, dando lugar a resultados con considerable dispersión. Este es el caso, por ejemplo, de los daños notificados por el grupo de investigación del Puerto de Barcelona, la rotura de los cajones portuarios en el Puerto de Barcelona en 2007. Por estos motivos y otros, se ha decidido desarrollar un análisis para la evaluación de estos problemas mediante la propuesta de una metodología teórico‐numérica y empírica. El enfoque teórico‐numérico desarrollado en el presente estudio se centra en la determinación del marco teórico y las herramientas numéricas capaces de solventar los retos que presentan estos problemas. La complejidad del problema procede de varios aspectos fundamentales: el comportamiento no lineal de los suelos poco confinados o flojos en procesos de consolidación por preso propio; su alto potencial de licuefacción; la caracterización hidromecánica de los contactos entre estructuras y suelo (camino preferencial para el flujo de agua y consolidación lateral); el punto de partida de los problemas con un estado de tensiones efectivas prácticamente nulo. En cuanto al enfoque experimental, se ha propuesto una metodología de laboratorio muy sencilla para la caracterización hidromecánica del suelo y las interfaces, sin la necesidad de usar complejos aparatos de laboratorio o procedimientos excesivamente complicados. Este trabajo incluye por tanto un breve repaso a los aspectos relacionados con la ejecución de los rellenos hidráulicos, sus usos principales y los fenómenos relacionados, con el fin de establecer un punto de partida para el presente estudio. Este repaso abarca desde la evolución de las ecuaciones de consolidación tradicionales (Terzaghi, 1943), (Gibson, English & Hussey, 1967) y las metodologías de cálculo (Townsend & McVay, 1990) (Fredlund, Donaldson and Gitirana, 2009) hasta las contribuciones en relación al efecto silo (Ranssen, 1985) (Ravenet, 1977) y sobre el fenómeno de la licuefacción (Casagrande, 1936) (Castro, 1969) (Been & Jefferies, 1985) (Pastor & Zienkiewicz, 1986). Con motivo de este estudio se ha desarrollado exclusivamente un código basado en el método de los elementos finitos (MEF) empleando el programa MATLAB. Para ello, se ha esablecido un marco teórico (Biot, 1941) (Zienkiewicz & Shiomi, 1984) (Segura & Caron, 2004) y numérico (Zienkiewicz & Taylor, 1989) (Huerta & Rodríguez, 1992) (Segura & Carol, 2008) para resolver problemas de consolidación multidimensional con condiciones de contorno friccionales, y los correspondientes modelos constitutivos (Pastor & Zienkiewicz, 1986) (Fiu & Liu, 2011). Asimismo, se ha desarrollado una metodología experimental a través de una serie de ensayos de laboratorio para la calibración de los modelos constitutivos y de la caracterización de parámetros índice y de flujo (Castro, 1969) (Bahda 1997) (Been & Jefferies, 2006). Para ello se han empleado arenas de Hostun como material (relleno hidráulico) de referencia. Como principal aportación se incluyen una serie de nuevos ensayos de corte directo para la caracterización hidromecánica de la interfaz suelo – estructura de hormigón, para diferentes tipos de encofrados y rugosidades. Finalmente, se han diseñado una serie de algoritmos específicos para la resolución del set de ecuaciones diferenciales de gobierno que definen este problema. Estos algoritmos son de gran importancia en este problema para tratar el procesamiento transitorio de la consolidación de los rellenos hidráulicos, y de otros efectos relacionados con su implementación en celdas de cajones, como el efecto silo y la licuefacciones autoinducida. Para ello, se ha establecido un modelo 2D axisimétrico, con formulación acoplada u‐p para elementos continuos y elementos interfaz (de espesor cero), que tratan de simular las condiciones de estos rellenos hidráulicos cuando se colocan en las celdas portuarias. Este caso de estudio hace referencia clara a materiales granulares en estado inicial muy suelto y con escasas tensiones efectivas, es decir, con prácticamente todas las sobrepresiones ocasionadas por el proceso de autoconsolidación (por peso propio). Por todo ello se requiere de algoritmos numéricos específicos, así como de modelos constitutivos particulares, para los elementos del continuo y para los elementos interfaz. En el caso de la simulación de diferentes procedimientos de puesta en obra de los rellenos se ha requerido la modificacion de los algoritmos empleados para poder así representar numéricamente la puesta en obra de estos materiales, además de poder realizar una comparativa de los resultados para los distintos procedimientos. La constante actualización de los parámetros del suelo, hace también de este algoritmo una potente herramienta que permite establecer un interesante juego de perfiles de variables, tales como la densidad, el índice de huecos, la fracción de sólidos, el exceso de presiones, y tensiones y deformaciones. En definitiva, el modelo otorga un mejor entendimiento del efecto silo, término comúnmente usado para definir el fenómeno transitorio del gradiente de presiones laterales en las estructuras de contención en forma de silo. Finalmente se incluyen una serie de comparativas entre los resultados del modelo y de diferentes estudios de la literatura técnica, tanto para el fenómeno de las consolidaciones por preso propio (Fredlund, Donaldson & Gitirana, 2009) como para el estudio del efecto silo (Puertos del Estado, 2006, EuroCódigo (2006), Japan Tech, Stands. (2009), etc.). Para concluir, se propone el diseño de un prototipo de columna de decantación con paredes friccionales, como principal propuesta de futura línea de investigación. Wide research is nowadays available on the characterization of hydraulic fills in terms of either static or dynamic behavior. However, reported comprehensive analyses of these soils when meant for port or mining works are scarce. Moreover, the semi‐empirical procedures for assessing the silo effect on cells in floating caissons, and the liquefaction potential of these soils during sudden loads or earthquakes are based on studies where the underlying influence parameters are not well known, yielding results with significant scatter. This is the case, for instance, of hazards reported by the Barcelona Liquefaction working group, with the failure of harbor walls in 2007. By virtue of this, a complex approach has been undertaken to evaluate the problem by a proposal of numerical and laboratory methodology. Within a theoretical and numerical scope, the study is focused on the numerical tools capable to face the different challenges of this problem. The complexity is manifold; the highly non‐linear behavior of consolidating soft soils; their potentially liquefactable nature, the significance of the hydromechanics of the soil‐structure contact, the discontinuities as preferential paths for water flow, setting “negligible” effective stresses as initial conditions. Within an experimental scope, a straightforward laboratory methodology is introduced for the hydromechanical characterization of the soil and the interface without the need of complex laboratory devices or cumbersome procedures. Therefore, this study includes a brief overview of the hydraulic filling execution, main uses (land reclamation, filled cells, tailing dams, etc.) and the underlying phenomena (self‐weight consolidation, silo effect, liquefaction, etc.). It comprises from the evolution of the traditional consolidation equations (Terzaghi, 1943), (Gibson, English, & Hussey, 1967) and solving methodologies (Townsend & McVay, 1990) (Fredlund, Donaldson and Gitirana, 2009) to the contributions in terms of silo effect (Ranssen, 1895) (Ravenet, 1977) and liquefaction phenomena (Casagrande, 1936) (Castro, 1969) (Been & Jefferies, 1985) (Pastor & Zienkiewicz, 1986). The novelty of the study lies on the development of a Finite Element Method (FEM) code, exclusively formulated for this problem. Subsequently, a theoretical (Biot, 1941) (Zienkiewicz and Shiomi, 1984) (Segura and Carol, 2004) and numerical approach (Zienkiewicz and Taylor, 1989) (Huerta, A. & Rodriguez, A., 1992) (Segura, J.M. & Carol, I., 2008) is introduced for multidimensional consolidation problems with frictional contacts and the corresponding constitutive models (Pastor & Zienkiewicz, 1986) (Fu & Liu, 2011). An experimental methodology is presented for the laboratory test and material characterization (Castro 1969) (Bahda 1997) (Been & Jefferies 2006) using Hostun sands as reference hydraulic fill. A series of singular interaction shear tests for the interface calibration is included. Finally, a specific model algorithm for the solution of the set of differential equations governing the problem is presented. The process of consolidation and settlements involves a comprehensive simulation of the transient process of decantation and the build‐up of the silo effect in cells and certain phenomena related to self‐compaction and liquefaction. For this, an implementation of a 2D axi‐syimmetric coupled model with continuum and interface elements, aimed at simulating conditions and self‐weight consolidation of hydraulic fills once placed into floating caisson cells or close to retaining structures. This basically concerns a loose granular soil with a negligible initial effective stress level at the onset of the process. The implementation requires a specific numerical algorithm as well as specific constitutive models for both the continuum and the interface elements. The simulation of implementation procedures for the fills has required the modification of the algorithm so that a numerical representation of these procedures is carried out. A comparison of the results for the different procedures is interesting for the global analysis. Furthermore, the continuous updating of the model provides an insightful logging of variable profiles such as density, void ratio and solid fraction profiles, total and excess pore pressure, stresses and strains. This will lead to a better understanding of complex phenomena such as the transient gradient in lateral pressures due to silo effect in saturated soils. Interesting model and literature comparisons for the self‐weight consolidation (Fredlund, Donaldson, & Gitirana, 2009) and the silo effect results (Puertos del Estado (2006), EuroCode (2006), Japan Tech, Stands. (2009)). This study closes with the design of a decantation column prototype with frictional walls as the main future line of research.

Metodología para la remediación de instalaciones de residuos mineros procedentes de la minería metálica orientada a la reducción del riesgo ambiental y al aprovechamiento de sus residuos

Las instalaciones de residuos mineros abandonadas procedentes de la minería metálica pueden suponer un grave riesgo medioambiental y de seguridad debido a su potencial contaminante y a la posibilidad de ocasionar accidentes por su fallo estructural. Desgraciadamente, en la mayoría de los países de la Unión Europea existen un gran número de presas, balsas, pilas de lixiviación y escombreras mineras cerradas que se encuentran abandonadas y sin ningún control estructural o ambiental al haberse originado en actividades extractivas finalizadas con anterioridad a la aparición de las primeras normativas de índole ambiental aplicables. Algunas de las instalaciones de residuos mineros abandonadas pueden además contener reservas de metales apreciables al proceder sus residuos de actividades extractivas pasadas en las que se emplearon procesos metalúrgicos e hidrometalúrgicos de concentración con eficiencias de recuperación inferiores a las obtenibles con técnicas extractivas actuales. En la presente tesis doctoral se ha desarrollado una metodología de análisis que puede servir de herramienta útil para la toma de decisiones en los procesos de remediación de instalaciones de residuos mineros procedentes de la minería metálica. Dicha metodología se ha construido a partir de los resultados que se puedan obtener del análisis de riesgos ambientales de las instalaciones estudiadas, estableciendo las metodologías más apropiadas para su remediación en función de los riesgos específicos que presenten. La metodología propuesta incluye además el análisis de la posibilidad de proceder al aprovechamiento de los residuos mineros presentes en las instalaciones mediante la extracción de sus metales, para lo que se han desarrollado una serie de expresiones que pueden emplearse en el análisis de la viabilidad en términos económicos, ambientales y sostenibles de dicho aprovechamiento obtenidas sobre la base de las últimas experiencias al respecto registradas bibliográficamente y del estudio de los costes de inversión y operación que pueden suponer dichas operaciones en función de las tecnologías extractivas empleadas. Para finalizar, en la última parte de la tesis se incluye un caso práctico de aplicación de la metodología desarrollada en el que se estudian las posibilidades de remediación de tres presas mineras abandonadas procedentes de la extracción de plomo y zinc y se analiza la posibilidad de proceder al aprovechamiento de sus residuos mediante la extracción de metales de sus estériles. ABSTRACT The abandoned mining waste facilities from the metallic mining may pose environmental and safety risks due to its pollution potential as well as due to the possibility of structural collapses. Unfortunately, in most countries of the European Union there are a large number of tailing dams, tailing ponds, leaching heaps and mining waste-rock dump sites that are abandoned without any structural or environmental control. That is because they were originated in extractive activities completed prior to the appearance of the first environmental applicable regulations. Some of the abandoned mining waste facilities can also contain significant reserves of metals due to the fact that their waste comes from past mining activities when metallurgical processes and hydrometallurgical concentration were used with lower efficiency than those obtainable with present recovery mining techniques. At present thesis a method of analysis that can serve as a useful tool for decision making in the process of remediation of mining waste facilities from the metal mining has been developed. This methodology has been built from the results that may be obtained from the analysis of environmental risks at studied facilities, therefore establishing the most appropriate methodologies for its remediation based on their specific risks. The proposed methodology also includes the analysis of the possibility to beneficiate the mining residues contained on the mining waste facilities by extracting their metals. For that purpose, some expressions have been developed that can be used in the analysis of the economic viability of such extraction. Expressions are obtained on the basis of recent registered bibliographically, experiences and from the study of investment and operating costs that may suppose such extractions depending on extractive technologies used. Finally, in the last part of the thesis a case of application of the methodology proposed has been developed, in which, the possibilities for remediation of three abandoned mining dams related to the extraction of lead and zinc are studied and the possibility of beneficiate their waste by extracting metals is analyzed.