Proyecto CONTROLMINES

Información administrativa

Título: Control geodésico y geotécnico de instalaciones de residuos mineros mediante técnicas integradas de monitorización y modelización
Código: PID2022-138197OB-I00 financiado por MCIN/AEI/10.13039/501100011033/FEDER, UE
Fecha de inicio: 1 de septiembre de 2023
Fecha de finalización: 1 de septiembre de 2027
Financiación: 112500 €
Correo electrónico: jose.fernandez@igme.es

Descripción del proyecto

El proyecto CONTROLMINES se centra en el mantenimiento predictivo de instalaciones de residuos mineros a través de la modelización y la monitorización de estas estructuras.

El objetivo del proyecto CONTROLMINES es proporcionar a las administraciones competentes, y a la sociedad en general, nuevas metodologías y herramientas capaces de controlar en tiempo real la estabilidad de instalaciones de residuos mineros, como escombreras y presas de residuos, tanto a escala regional como local. El proyecto abarca tres líneas de trabajo innovadoras principales:

  • Modelización geo-mecánica 4D y monitorización continua en tiempo real. Se aplicarán nuevos programas de simulación geo-mecánica, así como técnicas de monitorización avanzadas en tiempo real.
  • Integración de los datos en una plataforma informática online. Se desarrollará un prototipo de aplicación para el control geodésico-geotécnico y para la alerta temprana.
  • Validación y aplicación a casos de estudio. La metodología será aplicada en distintos tipos de instalaciones de residuos.

El objetivo de la modelización es proporcionar una herramienta para entender cómo se comportan estas geo-estructuras. Si el modelo propuesto puede reproducir el comportamiento pasado y presente de las mismas, también puede utilizarse para predecir su comportamiento futuro.

Objetivos

El proyecto CONTROLMINES generará conocimiento en tres disciplinas fundamentalmente: (i) modelización numérica de estructuras mineras, (ii) monitorización de las mismas mediante técnicas remotas, y (iii) diseño de sistemas de alerta temprana para su gestión sostenible y segura.

En relación con la modelización, si bien el Método Punto Material (MPM) viene siendo desarrollado en los últimos años por varios grupos de investigación internacionales, la versión multi-fásica (solido-fluido-aire) y multipunto para simular el acoplamiento hidro-mecánico en grandes deformaciones no ha sido, a día de hoy, investigada en profundidad. Por otro lado, hoy en día, existen pocos modelos constitutivos capaces de reproducir correctamente los fenómenos de licuación. El proyecto CONTROLMINES desarrollará nuevos modelos numéricos MPM (sobre el programa propio GeHoMadrid) y constitutivos (utilizando la teoría de la Plasticidad Generalizada con parámetro de estado) que permitirán simular de forma más realista los fenómenos de licuación. Estos nuevos modelos permitirán predecir mejor el futuro comportamiento de instalaciones residuos mineros y ahondar en el conocimiento de los mecanismos que provocan su rotura.

Actividades

Objetivo específico 1: Modelización geo-mecánica de estructuras mineras
Tarea 1.1

Puesta a punto del programa GeHoMadrid-MPM para la escala regional

Se propone desarrollar una nueva versión 3D del programa GeHoMadrid-MPM para identificar diferentes mecanismos de rotura a escala de valle (o regional) en una misma malla de cálculo.

El programa de elementos finitos propio GeHoMadrid permite simular numéricamente el acoplamiento hidro-mecánico estático y dinámico en 3D de geomateriales en pequeñas deformaciones. La técnica de reducción de la resistencia cortante (SSR) junto a una implementación numérica robusta de un criterio de rotura Mohr-Coulomb en 3D permite calcular de forma muy eficiente factores de seguridad (FS) y mecanismos de rotura en 3D. Esta técnica ha sido probada con éxito a escala de valle para identificar el talud crítico (con menor factor de seguridad) del área estudiada. Sin embargo, esta técnica no permite identificar otros taludes u otras áreas de la misma malla de cálculo, que tengan un factor de seguridad superior. En este contexto, se propone desarrollar una nueva versión 3D del programa GeHoMadrid que integre el método del punto material (MPM) para solventar este problema. Este método que se basa en una doble discretización (por un lado con puntos materiales y por otro con una malla tradicional de elementos finitos en segundo plano) permite calcular el comportamiento de geomateriales en grandes deformaciones. Esta nueva versión GeHoMadrid-MPM permitirá proporcionar mapas de peligrosidad a los deslizamientos identificando áreas con diferentes factores de seguridad.

Fig. Tarea 1.1. Controlmines
Objetivo específico 1: Modelización geo-mecánica de estructuras mineras
Tarea 1.2

Puesta a punto del programa GeHoMadrid-MPM para la escala local

Adicionalmente, se adaptará el programa GeHoMadrid-MPM a la simulación de fenómenos de licuación, tanto estática (por flujo) como dinámica (durante terremotos).

El mismo programa será utilizado para el estudio local de instalaciones de residuos mineros singulares, prestando especial atención a la simulación de los fenómenos de licuación, tanto estática (por flujo) como dinámica durante terremotos. Para ello, se adaptará el programa GeHoMadrid-MPM a la simulación del acoplamiento multi-fásico (sólifo-fluido-gas) de materiales con una aproximación multi-punto del algoritmo MPM (de tal forma que cada punto material represente una sola fase). Si bien la técnica MPM permite estudiar también la propagación del flujo en caso de rotura, determinado trayectorias y velocidades de propagación (características esenciales para una evaluación del riesgo asociado a este peligro), esta aproximación multipunto no ha sido investigada todavía de forma profusa en la literatura especializada. Por ello, se estudiará la posibilidad de desarrollar nuevas ecuaciones constitutivas capaces de reproducir la licuación de suelos de forma más realista. Estas se apoyarán en los modelos de Plasticidad Generalizada con parámetro de estado ya desarrollados por el equipo investigador tanto para materiales saturados como parcialmente saturados.

Fig. Tarea 1.2. Contromines
Objetivo específico 2: Monitorización de estructuras mineras. Control geodésico: definición de umbrales para la alerta temprana
Tarea 2.1

Generación de datos remotos mediante interferometría radar desde satélite (InSAR)

Se aplicarán técnicas de interferometría radar satélite (InSAR) para el monitoreo de estructuras mineras tanto a escala regional como local con precisión milimétrica.

Se utilizarán los datos gratuitos de deformación de la superficie terrestre proporcionados por el programa europeo Copernicus, explotando las imágenes radar SAR en banda C del satélite Sentinel-1. Por un lado, para el análisis histórico, se utilizará el European Ground Motion Service (EGMS). Por otro lado, para la monitorización en tiempo real, las imágenes se descargarán de la plataforma pública ASF (https://search.asf.alaska.edu/#/). Estas imágenes son del tipo Single Look Complex-Interferometric Wide swath (SLC-IW), cuya resolución es de 4 metros en dirección E-O y de 14 metros en dirección N-S, siendo el muestreo temporal mínimo de Sentinel-1 de 6 días. La utilización de otras imágenes satelitales, como por ejemplo las imágenes SAR en banda X del satélite español Paz (o de los satélites TerraSAR-X alemán o Cosmo-SkyMed italiano) serán investigados. El procesado de las imágenes será realizado mediante distintas herramientas de interferometría radar diferencial avanzada (advanced differential synthetic aperture radar interferometry, A-DInSAR).

Fig. Tarea 2.1. Controlmines
Objetivo específico 2: Monitorización de estructuras mineras. Control geodésico: definición de umbrales para la alerta temprana
Tarea 2.2

Generación de datos remotos mediante fotogrametría digital (SfM) desde dron

Se aplicarán técnicas de fotogrametría digital (SfM) desde dron para el monitoreo de estructuras mineras tanto a escala regional como local.

La adquisición de imágenes ópticas será realizada utilizando los drones disponibles en el Servicio de Trabajos Aéreos (STA) del CN IGME-CSIC. Se obtendrán nubes de puntos tridimensionales (3D point clouds) con información de color RGB, así como modelos digitales del terreno (DEMs) y ortoimágenes de muy alta resolución, a partir de técnicas de fotogrametría digital (structure from motion, SfM) utilizando soluciones software comerciales. Se prevé también la utilización de un LIDAR sobre dron que será próximamente adquirido por el CN IGME-CSIC. La evolución temporal de deformaciones mediante estas técnicas será evaluada comparando las nubes de puntos, los modelos digitales del terreno y las ortoimágenes (generadas en diferentes fechas) utilizando distintas herramientas de análisis de datos geoespaciales.

Fig. Tarea 2.2. Controlmines
Objetivo específico 2: Monitorización de estructuras mineras. Control geodésico: definición de umbrales para la alerta temprana
Tarea 2.3

Generación de datos in-situ en tiempo real

Se aplicarán técnicas de monitoreo tradicionales como GNSS o inclinómetros, así como técnicas de medida de presión intersticial mediante piezómetros.

La adquisición de medidas de deformación puntuales in-situ se llevará a cabo empleando técnicas de monitoreo tradicionales como GNSS o inclinómetros. Además, se utilizarán redes de piezómetros para la obtención de medidas de presión intersticial. A modo de ejemplo, en Minas Riotinto (Huelva), mina activa explotada por la empresa Atalaya Mining, se está procediendo a la transición digital de todos los datos de control geodésico y geotécnico clásicos a un nuevo sistema digital de auscultación geodésica automatizada en tiempo real (proyecto MINERVA #smartgeocontrol). La transición digital de la instrumentación, optimiza y mejora las lecturas analógicas tradicionales con operador, automatizando procesos, transmitiendo datos a través de red inalámbrica y centralizando toda la información en una única plataforma, que en este caso se ha denominado GeoMoS-Now - GeoMonitoring Hub (Leica Geosystems).

Fig. Tarea 2.3. Controlmines
Objetivo específico 2: Monitorización de estructuras mineras. Control geodésico: definición de umbrales para la alerta temprana
Tarea 2.4

Fusión de datos. Control geodésico: definición de umbrales para la alerta temprana

Se podrán crear algoritmos que generen alarmas de forma automática a partir de los datos InSAR obtenidos.

Para el control geodésico a escala regional, utilizando los datos InSAR, se podrán crear algoritmos que generen alertas tempranas automáticas cuando se detecten movimientos o cuando existan cambios significativos en las tendencias de deformación de las estructuras. A modo de ejemplo, el análisis de series temporales de velocidad utilizando el método de la velocidad inversa permite tener indicios del momento de la rotura (fluencia terciaria) en caso de inestabilidad detectada. Para el control geodésico a escala local, los datos de monitorización recolectados mediante las diferentes técnicas de monitorización empleadas permitirán validar las deformaciones medidas en las estructuras. Se podrán crear algoritmos que generen alarmas de forma automática cuando (i) existan desviaciones entre los datos obtenidos a través diferentes técnicas de monitoreo (por ejemplo, entre monitoreo remoto y monitoreo in-situ), o cuando (ii) existan cambios significativos en las tendencias de deformación de las estructuras (método de la velocidad inversa).

Fig. Tarea 2.4. Controlmines
Objetivo específico 3: Integración de la modelización y monitorización de estructuras mineras. Control geotécnico: definición de umbrales para la alerta temprana
Tarea 3.1

Monitorización de condiciones ambientales y definición de escenarios

Se recopilarán datos de variables ambientales (intensidad de lluvia, temperatura, etc.), y se definirán combinaciones de acciones para las situaciones Normal, Accidental y Extrema.

Para el cálculo tenso-deformacional pasado y presente de las estructuras es necesario la recopilación de las condiciones ambientales como intensidad de lluvia, temperatura, etc. Para el cálculo de márgenes de seguridad asociados a los estados límites de servicio (ELS) y estados límites últimos (ELU) de las estructuras, se definirán las combinaciones de acciones tanto para las Situaciones Normal, Accidental y Extrema. A modo de ejemplo, para la Situación Extrema los condicionantes hidrogeológicos tendrán en cuenta lluvias excepcionales con periodos de retorno 500 años y se estudiarán posibles actualizaciones relacionadas con el Cambio Climático. Para los condicionantes sísmicos, se utilizarán aceleraciones sísmicas de cálculo según la Norma de Construcción Sismo-Resistente vigente para aproximaciones pseudo-estáticas y acelerogramas sintéticos representativos (con posibles estudios sismotectónicos ad-hoc) para el cálculo dinámico.

Fig. Tarea 3.1. Controlmines
Objetivo específico 3: Integración de la modelización y monitorización de estructuras mineras. Control geotécnico: definición de umbrales para la alerta temprana
Tarea 3.2

Control geotécnico: definición de umbrales para la alerta temprana

Se podrán crear algoritmos que generen en tiempo real alarmas cuando existan desviaciones entre los datos medidos y los resultados calculados (deformación, presión intersticial, etc.).

Los parámetros de los modelos geo-mecánicos serán adoptados a partir del proyecto constructivo (si existe) y la bibliografía disponible, y podrán ser calibrados a partir de los resultados obtenidos en ensayos de laboratorio e in-situ, o del propio histórico de la monitorización. Se prestará especial atención a la calibración de las permeabilidades (saturadas y no-saturadas), parámetro que condiciona la red de flujo del fluido intersticial (y por ende la estabilidad de las estructuras). Para el control geotécnico a escala local, se podrán crear algoritmos que generen en tiempo real alarmas cuando existan desviaciones entre los datos medidos y los resultados calculados, es decir, cuando las hipótesis del diseño constructivo de las estructuras no coincidan con la realidad observada. A partir de los datos/resultados de deformación, se podrán definir Estados Límite de Servicio, generando alertas tempranas para mantenimiento, y a partir de los datos/resultados de presión intersticial, podrán ser calculados en tiempo real los Factores de Seguridad asociados al estado real de las estructuras.

Fig. Tarea 3.2. Controlmines
Objetivo específico 3: Integración de la modelización y monitorización de estructuras mineras. Control geotécnico: definición de umbrales para la alerta temprana
Tarea 3.3

Desarrollo de un prototipo de aplicación informática para el control geodésico y geotécnico y para la alerta temprana

Se desarrollará una aplicación informática que integre los datos de monitoreo recolectados (remotos desde satélite y dron, e in-situ) y de modelación geo-mecánica generados.

El programa de elementos finitos propio GeHoMadrid, desarrollado por el equipo investigador, será integrado, junto a un programa de post proceso como GiD (comercial) o Paraview (libre), en una plataforma informática que recoja también los datos de monitorización en tiempo real para poder implementar los algoritmos de control geodésico y geotécnicos propuestos. Esta aplicación informática, que podrá estar basada en la web, será desarrollada con el Área SIG del CN IGME-CSIC, y tiene como objetivo ser utilizada por administraciones y empresas responsables del control de seguridad de las instalaciones de residuos mineros. Dicha aplicación será de fácil manejo y contará con una interfaz gráfica amigable.

Fig. Tarea 3.3. Contromines
Objetivo específico 4: Aplicación a casos de estudio
Tarea 4.1

Control geodésico y geotécnico del conjunto de pasivos mineros en la región de Cartagena-La Unión (Murcia)

La metodología propuesta será testeada a escala regional en la Sierra Minera de Cartagena-La Unión (Murcia).

Para el análisis regional se propone como caso de estudio el conjunto de pasivos mineros en la región de Cartagena-La Unión (Murcia) en el que el equipo de investigación ha trabajado en los últimos años. En esta área existe un conjunto de pasivos mineros, escombreras y presas, fuertemente deteriorados por procesos de erosión hídrica y eólica. Estos pasivos están siendo restaurados ya que son fuente de contaminación del Mar Menor. Este caso de estudio es de especial interés para la Subdirección General de Economía Circular de la Dirección General de Calidad y Evaluación Ambiental del MITERD.

Fig. Tarea 4.1. Controlmines
Objetivo específico 4: Aplicación a casos de estudio
Tarea 4.2

Control geodésico y geotécnico de las escombreras de las minas Feixolín y Fonfría (León)

La metodología propuesta será testeada a escala local en las escombreras restauradas de las minas Feixolín y Fonfría (León).

Para el análisis a escala local se propone como caso de estudio las dos mega escombreras de las minas de carbón Feixolín y Fonfría (León), en las cuales el equipo de investigación ha realizado un control geodésico durante los últimos tres años. Este caso de estudio es de especial interés para la Secretaría General de Energía y Minas de la Consejería de Economía y Hacienda de la Junta de Castilla y León.

Fig. Tarea 4.2. Controlmines
Objetivo específico 4: Aplicación a casos de estudio
Tarea 4.3

Control geodésico y geotécnico de las presas de residuos mineros en Minas Riotinto (Huelva)

La metodología propuesta para el análisis a tiempo real será testeada a escala local en las presas de residuos mineros de Minas Riotinto (Huelva).

Para el análisis a escala local en tiempo real, se propone como caso de estudio la zona minera de las presas de residuos mineros de Minas Riotinto (Huelva), explotada por la empresa Atalaya Riotinto Minera, S.L.U. En dicha zona, se está evaluando actualmente una importante actualización del proyecto, cuya ejecución está en trámite de autorización, para el recrecimiento de las presas durante los 10 próximos años. Este caso de estudio es de especial interés para la Secretaría General de Industria y Minas de la Conserjería de Política Industrial y Energía de la Junta de Andalucía.

Fig. Tarea 4.3.Controlmines
Objetivo específico 5: Transferencia de tecnología y divulgación de los resultados
Tarea 5.1

Presentación de resultados a las administraciones competentes y empresas, publicación de resultados en revista científicas, divulgación de resultados y estudio de patente

Los resultados serán presentados a las administraciones y empresas interesadas, publicados en revistas científicas, y publicitados en diferentes medios digitales, y se estudiará la propuesta de una patente.

Al final del proyecto, se prevé la celebración de un mini-simposio a nivel nacional para presentar los resultados del proyecto a las administraciones y empresas responsables del control de seguridad de las instalaciones de residuos mineros. Además, los resultados del proyecto serán publicados en revistas del sector de la ingeniería minera, geológica y civil, y serán publicitados a través de diferentes medios digitales (como la presente página web, o perfiles en redes sociales). Finalmente, en caso de un buen resultado del desarrollo del prototipo de aplicación informática propuesto para el control geodésico, geotécnico y alerta temprana de instalaciones de residuos mineros, así como de su validación con los casos de estudios propuestos, y de un posible interés de las administraciones y empresas privadas del sector minero, se estudiará la propuesta de una patente en colaboración con la Unidad de Transferencia del Conocimiento y Tecnologías deI ICP-CSIC.

Fig. Tarea 5.1. Controlmines

Investigador/es Principal/es

personal_fernández
José Antonio Fernández Merodo
C. N. IGME - CSIC

Equipo

Angel_Prieto
Ángel Prieto Martín
C. N. IGME - CSIC
personal_canamon
Israel Cañamón Valera
Escuela Técnica Superior de Ingenieros de Minas y Energía (ETSIME)
personal_rodriguez
Roberto Lorenzo Rodríguez Pacheco
C. N. IGME - CSIC
personal_mulas
Joaquín Mulas de la Peña
C. N. IGME - CSIC
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Carlos Lorenzo Carnicero
C. N. IGME - CSIC

Departamentos implicados

Departamento de Riesgos Geológicos y Cambio Climático

Grupos implicados

Riesgos geológicos, Ingeniería geológica y Geotecnia minera
(INGEORISK)

Galería de imágenes

Figura proyecto Controlmines

Entidades financiadoras

Con el apoyo de:

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