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MINERÍA

Medidas espaciales

El monitoreo satelital colabora en operaciones en yacimientos a cielo abierto, tornando más segura la explotación minera

Secuencia de imágenes satelitales de Carajás que revela deformaciones milimétricas, según la barra de colores, en taludes y amontonamientos de material no aprovechado en los círculos A y B durante el lapso de un año

INPE Secuencia de imágenes satelitales de Carajás que revela deformaciones milimétricas, según la barra de colores, en taludes y amontonamientos de material no aprovechado en los círculos A y B durante el lapso de un añoINPE

La minería es una actividad compleja, que reviste diversos riesgos. Uno de los más preocupantes está asociado al colapso de los taludes, que son las laderas que forman el límite lateral de las minas a cielo abierto, aquéllas en las que se excava por debajo de la superficie del terreno. Cuando ceden esos abruptos paredones, de hasta 15 metros de altura, la mina puede sufrir un desmoronamiento y poner en riesgo la vida de los trabajadores, causando daños materiales y la interrupción de las operaciones en el lugar. Para evitar que ocurran tales accidentes, los taludes que presentan grietas, surcos o algún tipo de movimiento de tierra se monitorean de cerca mediante radares y otros dispositivos en tierra. Y en poco tiempo más, se dispondrá de una nueva tecnología, basada en la provisión de imágenes satelitales, que podría ayudar a realizar un monitoreo predictivo de los taludes, tornando más segura la explotación minera en Brasil.

Esta innovación es el resultado de un proyecto de investigación desarrollado en el marco de un convenio firmado por la empresa Vale, la FAPESP, la Fundación de Apoyo a la Investigación Científica del Estado de Minas Gerais (Fapemig) y la Fundación Amazonia Paraense (Fapespa). Dicho proyecto, que comenzó en 2012, tiene como objetivo realizar la detección y el monitoreo de estabilidades de taludes y de deformaciones superficiales en las minas de hierro a cielo abierto que Vale posee en el Complejo Minero de Carajás, estado de Pará, con la ayuda de un método avanzado e inédito en Brasil, la interferometría diferencial de imágenes de radar. Por medio de esta técnica, a la que se conoce simplemente por la sigla DInSAR (del inglés Differential Interferometric Synthetic Aperture Radar), las imágenes de alta definición registradas por satélites suministran informaciones que permiten la detección milimétrica de desplazamientos del terreno de los taludes y de las demás estructuras que componen el complejo minero, tales como las rampas de acceso, montañas de acumulación de material estéril (material no aprovechado), cintas transportadoras, barreras, carreteras y vías férreas, entre otras.

“La mayor novedad del proyecto, finalizado en el mes de diciembre pasado, consistió en mostrar que la tecnología espacial DinSAR puede utilizarse para el monitoreo de las condiciones de estabilidad en minas activas a cielo abierto, brindando medidas precisas de desplazamientos en la superficie de las estructuras mineras y asociadas”, afirma el geólogo Waldir Renato Paradella, investigador del Instituto Nacional de Investigaciones Espaciales (Inpa) y coordinador del proyecto FAPESP-Vale. “Esa técnica ha sido utilizada en otros países para el monitoreo de condiciones de deformaciones en yacimientos de petróleo y gas en tierra y en obras de ingeniería urbana, tales como apertura de túneles y construcción de subterráneos metropolitanos. En Italia, por ejemplo, los radares orbitales proveen información que ayuda a monitorear terremotos. La investigación en Carajás fue el primer test en una mina activa a cielo abierto en condiciones tropicales húmedas”.

Imagen del satélite TerraSAR-X de Carajás, en marzo de 2012, que muestra las minas en trazos finos y paralelos y una represa en el punto oscuro de mayor tamaño

INPE Imagen del satélite TerraSAR-X de Carajás, en marzo de 2012, que muestra las minas en trazos finos y paralelos y una represa en el punto oscuro de mayor tamañoINPE

En el transcurso del proyecto, la técnica se mostró eficiente al confirmar las deformaciones detectadas por la división geotécnica de Vale en la mina N5W, una de las tres a cielo abierto que forman parte del Complejo de Minas de Hierro de Carajás. A través de la tecnología DinSAR se pudo evaluar cuantitativamente las grietas en la rampa de acceso a la mina y las fracturas en las caras de los taludes, además de su alcance. “Esta nueva tecnología es una herramienta predictiva con elevado grado de confiabilidad. Estamos interesados en incorporarla en el futuro a nuestras operaciones y emplearla para el monitoreo permanente de las áreas de interés”, resalta el geólogo Luciano Mozer Assis, del Departamento de Planificación y Desarrollo de Ferrosos de Vale. Según Assis, el uso de imágenes de radar de apertura sintética (en inglés Synthetic Aperture radar o SAR) a bordo del satélite posee ventajas en relación con las técnicas comunes porque ellas abarcan grandes áreas, pueden tomarse bajo condiciones de nubosidad y también en período nocturno.

Cuando se toma una imagen, la antena de un radar SAR, instalado en un satélite orbital, emite millones de pulsos de ondas electromagnéticas hacia el suelo. Cuando el campo eléctrico irradiado interactúa con el blanco en el terreno, parte de la señal es reflejada y captada por la antena. Mediante técnicas de procesamiento, se analizan dos propiedades fundamentales de esa señal retrorreflexiva: la amplitud y la fase. La amplitud indica cuánto de la iluminación refleja el blanco, mientras que la fase muestra cuán distante se encuentra el blanco de la antena. Por lo tanto, la fase revela la distancia del sensor radar hasta determinado punto registrado en imagen del terreno. La interferometría SAR se vale de las mediciones de cambio de fase de la señal entre dos imágenes adquiridas bajo la misma área en tiempos diferentes. La diferencia de fase entre un par de imagen recibe el nombre de interferograma.

054-057_FAPESP VALE_227-02“Cuando un blanco del terreno presenta movimiento entre dos imágenes, la distancia entre el sensor radar y el blanco se altera, lo cual se expresa mediante una diferencia de fase. Cuando esa diferencia está relacionada a un punto localizado en un talud de la mina, probablemente indica que se produjo un desplazamiento en el lugar”, explica Paradella. La presencia de nubes, humedad y contaminación no causa interferencias significativas en la captación de las señales, pero la precisión de las mediciones puede verse afectada por retrasos de la señal hasta alcanzar el suelo. Esos atrasos normalmente se encuentran asociados al comportamiento de la tropósfera, la capa más baja de la atmósfera terrestre. “Esos ‘ruidos’ se corrigen mediante la técnica PSI [la sigla inglesa para Persistent Scatterer Interferometry], desarrollada por científicos de la Universidad Politécnica de Milán y patentada por la empresa italiana TRE como modelo PSInSAR”, dice Paradella. Para la ejecución del trabajo, los científicos trabajaron con 33 imágenes de las minas de Carajás generadas por el satélite alemán TerraSAR-X, que orbita la Tierra a una altura de 514 kilómetros y pasa sobre territorio brasileño cada once días. En caso en que el intervalo entre las tomas de registro fuese en un tiempo menor, las posibilidades de detección de deformaciones en el terreno serían mayores. En función de los buenos resultados logrados por el estudio, Vale contempla la puesta en campo de un nuevo proyecto, en este caso dirigido a las minas del denominado Cuadrilátero Ferrífero, situadas en Minas Gerais. En este caso, se utilizarán datos combinados de dos satélites, el TerraSAR-X y el italiano Cosmo-SkyMed. “Desde el punto de vista metodológico, la investigación en el Cuadrilátero Ferrífero, cuya duración prevista es de dos años, será complementaria a la de Carajás. Actualmente, con el sistema Cosmo-SkyMed, el tiempo de revista de la mina descendería a ocho días”, dice Paradella. Con el uso de otros futuros satélites, la tendencia apunta que el período de adquisición de datos sea cada vez menor, lo que mejorará la capacidad de detección de deformaciones, en un tiempo más corto.

La empresa Vale contempla el empleo de la técnica DinSAR en forma conjunta con radares de campo y estaciones totales topográficas con prismas reflectores, los dos métodos convencionales para el mapeo y monitoreo geotécnico actualmente en uso en sus minas. “Nuestra idea es que el método que emplea información satelital se sume a las técnicas convencionales de campo. Será complementario a lo que ya hacemos, con la ventaja de ser predictivo. Con ello podremos optimizar nuestras operaciones”, afirma el geólogo Luciano Assis, del Departamento de Planificación y Desarrollo de Ferrosos de Vale. Más allá del innovador DinSAR, existen otras dos técnicas de monitoreo. Los radares de campo, instalados en la propia mina, envían pulsos de señales de microondas hacia determinado objetivo ‒una cantera de trabajo por ejemplo‒ y capturan esas señales de regreso, comparándolas con las señales enviadas en primera instancia. En caso de detectarse algún cambio de fase entre las señales emitidas en diferentes momentos, podrían estar produciéndose deformaciones superficiales en el blanco. Ese tipo de radar se utiliza en diferentes puntos de observación. En Carajás, la empresa Vale emplea tres radares SSR (la sigla en inglés para Slope Stability Radar), de la empresa australiana GroundProbe, para monitorear diferentes sectores de la mina.

En tanto, las estaciones totales topográficas son instrumentos que realizan mediciones de ángulos verticales y horizontales y de distancias lineales. Para ello, se debe posicionar los equipos en un sitio libre de obstáculos y poner en la mira los prismas reflectores que se adosan a un asta y se sitúan sobre el punto donde se desea medir, en el caso específico de Vale, las caras de trabajo de los taludes. La estación total emite un haz de luz láser, el prisma lo refleja y retorna a la estación. Según el tiempo de respuesta y la amplitud angular detectada, una computadora interna calcula las distancias. Las señales reflejadas se almacenan y comparan con señales medidas previamente, revelando si ocurrió algún cambio en el comportamiento de los puntos ‒alejamiento o aproximación‒ con respecto al sitio donde se encuentran instalados los prismas. La limitación de ese sistema y de los radares de campo radica en que proveen tan sólo información de los sitios donde se encuentran instalados, contrariamente a la técnica DinSAR, cuya cobertura es mucho más amplia, y abarca todo el complejo minero. “La investigación reveló que el uso complementario y sinérgico del DinSAR junto con los sistemas tradicionales constituye una configuración óptima”, dice el ingeniero eléctrico e investigador del Inpe José Claudio Mura, vicecoordinador del proyecto.

Más allá de la generación del conocimiento que conducirá a la adopción de una nueva tecnología en la minería brasileña, la investigación contribuyó para con la capacitación de personal de posgrado en monitoreo remoto en el Inpe, donde ya se ha finalizado un doctorado y hay dos maestrías en curso. El proyecto aprobado en la FAPESP estuvo conducido por un equipo multidisciplinario integrado por geólogos, cartógrafos, ingenieros eléctricos y ambientales, del Inpe, de la Facultad de Ciencias y Tecnología de la Universidade Estadual Paulista (Unesp), en Presidente Prudente, y del Instituto de Geociencias de la Universidad Federal de Pará (UFPA).

Proyecto
Detección y monitoreo de estabilidad de taludes y deformaciones superficiales en una mina a cielo abierto por medio de técnicas avanzadas de interferometría diferencial de radar: una evaluación en la mina de hierro N4 (Carajás) utilizando datos provistos por el satélite TerraSAR-X (nº 2010/ 51267-9); Modalidad Apoyo a la Investigación – Investigación en Colaboración para la Innovación Tecnológica (Pite); Investigador responsable Waldir Renato Paradella (Inpe); Inversión R$ 626.273,35 y US$ 433.463,20 (FAPESP).

Artículos científicos
Mura, J. C. et al. Monitoring of surface deformation in open pit mine using DInSAR Time-Series: A case study in the N5W iron mine (Carajás, Brazil) using TerraSAR-X data. Sept. 2014. Proceedings SPIE RS 2014. v. 9243. oct. 2014.
Hartwig, M. E. et al. Detection and monitoring of surface motions in active open pit iron mine in the Amazon region, using persistent scatterer interferometry with TerraSAR-X satellite data. Remote Sensing. v. 5, n. 9, p. 4719-34. sept. 2013.
Paradella, W. R. et alRadar interferometry in surface deformation detection with orbital data. Revista Brasileira de Cartografia. v. 64, n. 6, p. 797-811. dic. 2012.

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