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  GEORRECURSOS
 
UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA

SEDE MEDELLÍN





La geología es la ciencia que estudia el origen, composición, estructura interna y los procesos que han formado y modelado la Tierra a lo largo del tiempo geológico. Ella es fundamental dentro de la actividad minera, ya que los aspectos geológicos son los que condicionan la formación del depósito, su geometría, el tipo de roca que hospeda la mineralización, la definición del yacimiento, la estimación de recursos y el método de explotación.

Es una ciencia de gran importancia en diferentes áreas de interés, como son: la exploración de yacimientos minerales —minería—, de los recursos energéticos como el petróleo y gas natural —hidrocarburos—, la evaluación de recursos hídricos subterráneos — hidrogeología—, la geocronología, la paleontología, la cartografía geológica, la geotecnia —muy importante en el diseño y construcción de una gran diversidad de obras civiles como vías, puentes y túneles, entre otros—, la geología ambiental, la estratigrafía, la vulcanología, la geofísica, la geoquímica y la geología estructural —encargada del estudio de las estructuras de la corteza terrestre y la deformación de las rocas.

Este artículo se centra en la minería con un enfoque técnico-social y ambiental, actual línea de actuación del Grupo de Investigación en Georrecursos, Minería y Medio Ambiente (GEMMA) al igual que su producción bibliográfica y generación de conocimiento e investigación.


La minería es una industria básica que se define como la extracción selectiva de materiales de la corteza terrestre, que provee materias primas necesarias para otras actividades industriales y que trae consigo un beneficio económico. Entre los principales materiales-minerales que se extraen están los elementos metálicos: oro, plata, cobre, cromo, hierro y plomo, entre otros, los cuales se utilizan en la industria química, la joyería, la electrónica, el cableado eléctrico, las aleaciones, la producción de acero —para bloques de motores, tornillos, tuercas, carrocerías de vehículos, maquinaria pesada, vigas, armamento y cascos de barcos, entre otros—; los minerales-materiales industriales que se utilizan en la industria de pinturas, fertilizantes y construcción, entre otros; y los recursos energéticos y piedras preciosas.

En Colombia, los principales departamentos mineros son Guajira, Cesar, Antioquia, Chocó, Córdoba y Boyacá. Las principales zonas carboníferas del norte de Colombia son las minas Cerrejón (La Guajira), y El Descanso y La Jagua de Ibirico (Cesar); Segovia, Remedios y El Bagre en Antioquia, y Marmato en Caldas, son los principales distritos mineros de oro; en Paz del Río (Boyacá), se encuentra la principal zona minera de hierro; y El Roble en Carmen de Atrato (Chocó) es la principal mina de cobre activa del país.

Entre los recursos explotados en Colombia se encuentran: el grupo de los fosfatos, los cuales se explotan en Huila; el elemento nativo azufre, explotado en Puracé (Cauca); la magnesita en Bolívar, Valle del Cauca; los materiales de construcción y las calizas explotadas para producir cemento, las rocas ornamentales, entre otros. Por su parte, los materiales energéticos están conformados por uranio, gas natural y petróleo, este último con sus principales explotaciones en el valle medio del Magdalena y en los Llanos Orientales; y carbón en la Guajira, Cesar, Boyacá y Antioquia. Finalmente, se tienen las piedras preciosas como esmeraldas, explotadas en el departamento de Boyacá, oro en los municipios de Segovia (Antioquia) y Marmato (Caldas), Cobre en el Carmen de Atrato (Chocó) y hierro en Paz del Rio (Boyacá).

La minería tiene un importante impacto en el desarrollo de un país, ya que esta actividad y sus productos constituyen la base sobre la cual se generan la infraestructura, las vías y las herramientas tecnológicas; generan aumento en las exportaciones e inversión; y representan un aporte importante al PIB, sumado a la generación de regalías —la minería representa 17% del total de las regalías del país, y el carbón es el material que más recursos de regalías aporta, por otra parte los hidrocarburos aportan el 83% restante.

La minería se desarrolla en cuatro fases principales: 1) prospección-exploración, 2) construcción y montaje, 3) explotación y 4) cierre de mina. Y a pesar de ser una actividad que representa desarrollo para un país, también trae consigo desafíos de carácter social, ambiental y de seguridad minera. En este último caso, la minería puede llegar a ser muy riesgosa para quienes la ejercen o se encuentran en su área de influencia, siempre que no se realice ésta actividad de manera adecuada, riesgo que aumenta en la minería subterránea, donde los derrumbes, riesgos eléctricos, la inhalación de gases, las inundaciones, los incendios y las explosiones pueden generar desastres en el desarrollo de la minería, aspecto que motiva cada día a la implementación de diferentes mecanismos que disminuyan el riesgo asociado a ésta actividad.


Pensando en los desafíos de tipo técnico, social y ambiental asociados a la minería, se fundó el grupo GEMMA por un grupo multidisciplinar de profesionales y estudiantes del área de Geociencias, cuyos principales objetivos son:

  • Desarrollar proyectos de investigación y extensión (consultorías externas), encaminados a la solución de problemas de carácter técnico, social, ambiental, económico y legal, asociados a la minería legal e ilegal.
  • Generar proyectos que cubran los ámbitos científico, tecnológico y económico en las áreas de geología y minería.
  • Ampliar el conocimiento del territorio en lo referente a composición, potenciales y riesgos asociados a la minería; y dar valor agregado a la información mediante la generación, el procesamiento y la evaluación de la información recolectada.
  • Desarrollar proyectos de investigación orientados al diseño de obras y procesos de la extracción sostenible de los recursos del subsuelo.

GEMMA espera ser un grupo de investigadores pioneros en la generación, procesamiento y evaluación del conocimiento de las potencialidades del territorio, con producción de artículos científicos de reconocimiento nacional e internacional, trabajos de pregrado y posgrado, y participación en eventos científicos como congresos y simposios relacionados con las áreas de geociencia y minería.


Atmósferas explosivas



Entre las líneas activas de investigación y extensión de GEMMA se encuentran el análisis y control de atmósferas explosivas, generadas por la concentración de gases y polvo de carbón, que representan uno de los mayores riesgos para la minería subterránea de carbón. El problema de la detección y control de dichas atmósferas es complejo, ya que dentro de las minas, el gas metano contenido en el manto de carbón se libera por diferentes factores y se concentra en algunas zonas. Este gas más el polvo de carbón y el oxígeno (O2) pueden, en mezclas determinadas, alcanzar el límite de explosividad y producir una explosión en la mina.

El mercado tecnológico de la instrumentación electrónica y la automatización industrial ofrece soluciones que posibilitan el monitoreo de las condiciones de riesgo, aunque este monitoreo se realiza de manera aislada e independiente para cada condición encontrada al interior de la mina. Esto es, se pueden encontrar, por ejemplo, soluciones para la concentración de gases o soluciones para el sistema de ventilación, pero no hay control sobre dos variables simultáneas que permitan llevar un control en tiempo real con múltiples variables. Estos sistemas tradicionales contribuyen al monitoreo de los riesgos ocasionados por incendios, explosión y deficiencia de oxígeno, y lo hacen fijando valores de alarma de manera independiente para cada gas, pero no consideran otros elementos de la combustión ni los efectos del polvo de carbón, mezclas de gases o de la temperatura.

Tener un sistema de control comercial es complejo, ya que el ajuste debe hacerse sin sacrificar las condiciones de seguridad en la extracción. Para estructurar las acciones de control, se requieren modelos de toma de decisiones que resultan complejos cuando se incluyen aspectos propios de la legislación del país, experiencias de la empresa, factores humanos, disposiciones internas de seguridad y características propias de la mina.

Una dificultad adicional para los sistemas de monitoreo en minas subterráneas es la que se origina en el carácter altamente distribuido y dinámico del proceso minero. Las labores de explotación son distintas, debido a que cada frente se trabaja de manera independiente y cada nivel posee un sinnúmero de frentes, lo que lleva a una amplia distribución geográfica en los sectores de la explotación. De otro lado, el ambiente dinámico es constante, nuevos frentes se abren y frentes explotados se cierran permanentemente.

Con respecto a la información generada, los sistemas de monitoreo dan lugar a grandes volúmenes de datos que deben procesarse debidamente. Una situación que debe preverse cuando se implementan estos sistemas, es la utilidad de la información recopilada y el valor agregado que puede tomarse de ella, así como de los recursos que se requieren para su análisis. El ideal es transformar un sistema de monitoreo en información inteligente, que convierta datos en información e información en decisiones; y que contribuya a reforzar los mecanismos dispuestos para verificar el cumplimiento de la legislación y de las disposiciones internas de seguridad, para mejorar así el entorno en las explotaciones subterráneas.

En consecuencia, se hace indispensable la medición de la concentración de gas metano (CH4), monóxido de carbono (CO), dióxido de carbono (CO2), Hidrogeno (H2), Nitrógeno (N2) y polvo de carbón en el ambiente subterráneo; asimismo, la detección, la correcta ubicación de los elementos de medición y el procesamiento de la información medida en tiempo real para generar alertas y realizar acciones preventivas.

Un sistema inteligente de detección de riesgo explosivo en minas subterráneas de carbón debe enfocarse en dos aspectos: 1) el monitoreo de las variables que pueden llevar a condiciones de explosión, acompañado de un componente inteligente que realice el respectivo análisis de riesgo; y 2) un componente encargado del control de los elementos electromecánicos y de instrumentación que permiten controlar las condiciones de la atmósfera.

La evaluación de la explosividad de una mezcla de gases originada en el interior de una mina subterránea de carbón, se ha llevado a cabo mediante el método de Coward y el de Bureau of Mines (Estados Unidos), los cuales permiten calcular el máximo contenido de oxígeno permisible y determinar la composición explosiva de la mezcla.

El Triángulo de Coward involucra aquellos gases que pueden ocasionar una deflagración o una explosión, como gases tóxicos, químicos e inflamables; además, tiene en cuenta la participación de gases inertes. Este método es útil en el seguimiento de las mezclas de gases, aunque para esto se requiere graficar los análisis de cada una de las muestras, ya que cada vez el respectivo Triángulo cambia de forma y de posición, lo mismo que el punto que representa la mezcla.

La United Stated Bureau of Mines desarrolló el Diagrama de Bureau of Mines y Zabetakis lo trabajó inicialmente en 1959. Requiere el cálculo de los contenidos de gases combustibles en un incendio, así: el eje de las ordenadas representa el porcentaje de combustibles efectivos, y se define como la combinación ponderada de porcentajes volumétricos de tres gases: Metano (CH4), Monóxido de Carbono (CO) e Hidrogeno (H2); y el eje de las abscisas expresa la combinación del exceso de nitrógeno (N2) y 1.5 veces la concentración de Dioxido de Carbono (CO2), en el que este 1.5 se atribuye al gran poder del dióxido de carbono en extinguir una mezcla. Se considera que si cualquier punto calculado de la concentración actual es ubicado posteriormente en el diagrama y se encuentra dentro de las zonas de explosividad asociadas a cada gas, la atmósfera es explosiva.

Observando las tasas de accidentalidad en la minería subterránea de carbón en Colombia, asociadas a la presencia de atmósferas explosivas, y ante la necesidad de implementar nuevos mecanismos de detección, el grupo de investigación GEMMA —con el apoyo de Colciencias— se encuentra ejecutando el proyecto de investigación “Sistema inteligente y automatizado para monitoreo de atmósferas explosivas en minería subterránea de carbón”, en la Mina San Joaquín —que pertenece a la empresa Carbones San Fernando S.A.S— del municipio de Amagá (Antioquía).

Este proyecto busca aplicar un sistema inteligente para el análisis en tiempo real de la explosividad, que permita determinar el riesgo en minas subterráneas de carbón y evitar explosiones con pérdidas humanas y económicas. Esto mejorará la productividad y las condiciones de trabajo para los mineros.

El proyecto se realiza en diez fases:

Fase 1 Establecimiento del estado del arte y el marco de referencia teórico:
Se definen estrategias actuales en automatización control y se determina las variables en el ambiente minero relevantes para ingresar al sistema.

Fase 2 Análisis de condiciones de emanación de gases combustibles y polvo de carbón en un frente de explotación: Se estudian los fenómenos gaseodinámicos en los frentes de explotación y las características explosivas del polvo de carbón.

Fase 3 Construcción de modelos de pruebas de efectividad: Las pruebas son realizadas con base en el modelamiento del comportamiento dinámico de los gases y polvo de carbón para definir condiciones de explosividad, pruebas de las estructuras de comunicaciones, comprobación de la efectividad del modelo de alerta temprana y control de la ventilación y determinación de los puntos y momentos claves para la correcta medición de las variables relevantes.

Fase 4 Desarrollo del sistema para el análisis en tiempo real de las variables de explosividad y elaboración de algoritmos de control: Fase en la que se define el manejo de bases de datos, la obtención de requisitos y el diseño del prototipo

Fase 5 Selección de la mina para la implementación del sistema

Fase 6 Diagnóstico tecnológico de la mina seleccionada: Se realiza una evaluación de las tecnologías, método de explotación, condiciones geológicas y de logística con las que cuenta la mina para la instalación de los equipos.

Fase 7 Estructuración e integración del sistema a la mina seleccionada: Donde se desarrolla el diseño de software integrado con estructuras de comunicaciones para la integración y modelamiento del comportamiento dinámico de las variables relevantes en la mina.

Fase 8 Validación y evaluación del desempeño del sistema: Fase que incluye diseño e implementación de casos de prueba, establecimiento de métricas para la medición del desempeño del sistema y obtención y análisis de resultados de las pruebas desarrolladas.

Fase 9 Refinamiento del sistema: Se realiza el desarrollo de ajustes al sistema, de acuerdo a los resultados de los casos de prueba y se lleva a cabo la configuración definitiva del sistema.

Fase 10 Documentación: En esta fase final del proyecto, se elaborarán los folletos con las fases más relevantes de la investigación, los artículos y memorias.

Adicional a esto, el Grupo ha realizado una serie de visitas de campo a la región donde se encuentra la mina, con el fin de recolectar datos estructurales para su posterior análisis y diseñar el modelo estructural de la zona. Ejecutando las diez fases anteriores se pretende dar cumplimiento a los alcances del proyecto y dar un aporte investigativo y de innovación para solucionar la problemática de atmosferas explosivas al interior de las minas subterráneas de carbón.

Producción científica


En cuanto a los artículos científicos, se han publicado alrededor de cuarenta artículos en diferentes revistas especializadas como Precambrian Research, Earth and Planetary Science Letters, Journal of Geology, Boletín Ciencias de la Tierra, Journal of South American Earth Sciences, Dyna, Journal of Geophysical Research y Revista de la Academia Colombiana de Ciencias Exactas, Físicas y Naturales, entre otras, en las que se han tratado temas como descripción de rocas, datación de rocas —geocronología—, geofísica, evolución geológica, descripción y caracterización de mineralizaciones, y otros.

Actividades académicas y publicaciones del grupo


El principal evento realizado por el grupo de investigación GEMMA es el VIII South American Symposium on Isotope Geology 2012, del cual fue el organizador.

Se han realizado los siguientes proyectos:

  • Estudio de la amenaza sísmica del sistema de fallas de Romeral en cercanías a la ciudad de Medellín (Área de Geología Aplicada), en el 2004;
  • Paragénesis mineral de los filones auríferos del distrito minero Segovia-Remedios —DMSR— (Área de Geología Económica), en el 2004;
  • Modelación y simulación aplicadas al estudio de factibilidad de falsos túneles en el corredor vial valle de Aburrá-río Cauca (Área de Geotecnia), en el 2008;
  • Modelo geológico-económico de los sistemas auríferos colombianos, fase 1: Nordeste antioqueño y Sur de Bolívar (Área de Geología Económica), en el 2009;
  • Monitoreo de atmósferas explosivas subterráneas en minería de carbón, Distrito Minero del Norte de Boyacá, en el 2012; y
  • Estudio de los fenómenos gaseodinámicos asociados a los diferentes tipos de sección y mecanismo de sostenimiento en las minas subterráneas de carbón, en el distrito de Amagá, en el 2013.

Algunos proyectos de extensión ejecutados por GEMMA, son:


  • Identificación, análisis y evaluación de riesgos asociados a la minería aurífera en los municipios de Segovia y Remedios, en conjunto con la Gobernación de Antioquia, en el 2013;
  • Zonificación de la amenaza relativa por movimientos en masa del denominado bloque 17 conformado por 6 planchas del IGAC escala 1:100.000, en conjunto con el Servicio Geológico Colombiano —SGC—, en el 2013;
  • Zonificación de la amenaza relativa por movimientos en masa del denominado bloque 09 conformado por 12 planchas del IGAC escala 1:100.000, en conjunto con el SGC, en el 2013;
  • Zonificación de la amenaza relativa por movimientos en masa del denominado bloque 10 conformado por 11 planchas del IGAC escala 1:100.000, en conjunto con el SGC, en el 2013;
  • Estudio hidrogeológico del área norte de la mina El Descanso —de la compañía Drummond— en conjunto con Drummond Ltda., en el 2014;
  • Consultoría para realizar actividades de asistencia y acompañamiento para la legalización de unidades mineras del departamento de Antioquia, en conjunto con la Secretaría de Minas de la Gobernación de Antioquia, en el 2014;
  • Consultoría para realizar actividades de asistencia y acompañamiento para la formalización de unidades mineras del departamento de Antioquia, en conjunto con la Secretaría de Minas de la Gobernación de Antioquia, en el 2014; y
  • Capacitación en geología y minería para no mineros y no geólogos, en conjunto con AngloGold Ashanti Colombia, en el 2014.

Algunas publicaciones del Grupo

  • Rocas grenvillianas en la región de Puerto Berrío-Antioquia. (1999). Revista de la Academia Colombiana de Ciencias Exactas, Físicas y Naturales.
  • Rb-Sr and Sm-Nd isotopic study of The Puquí complex, Colombian Andes. (2002). Journal of South American Earth Sciences.
  • Geochronological and isotopical review of pre-Devonian crustal basement of the Colombian Andes. (2007). Journal of South American Earth Sciences.
  • Earthquake processes of the Himalayan Collision Zone in Eastern Nepal and the Southern Tibetan Plateau. (2007). Geophysical Journal International.
  • Revisión de modelos de fracturamiento y controles estructurales como guías de exploración de filones auríferos en el distrito minero Segovia-Remedios. (2007). Boletín de Ciencias de la Tierra.
  • Seismic structure of the crust and the upper mantle beneath the Himalayas: Evidence for eclogitization of lower crustal rocks in the Indian Plate. (2008). Journal of Geophysical Research.
  • Aspectos estructurales y relaciones de algunos sistemas vetiformes del distrito minero Segovia-Remedios. (2009). Boletín de Ciencias de la Tierra.
  • Ingeniería de rocas en el túnel de conducción superior del proyecto Hidroeléctrico Porce III, Colombia. (2009). Boletín de Ciencias de la Tierra.
  • Mantle fault zones beneath the Himalayan Collision: Flexure of the Continental Lithosphere. (2009). Tectonophysics.
  • Geología de la parte oriental del distrito minero Segovia-Remedios. (2010). Boletín de Ciencias de la Tierra.
  • Características de las mineralizaciones vetiformes en el distrito minero Bagre-Nechí, Antioquia. (2010). Boletín de Ciencias de la Tierra.
  • Triassic metamorphism in the northern part of the Tahamí Terrane of the Central Cordillera of Colombia. (2011). Journal of South American Earth Sciences,
  • Jadeitite formed during subduction: In situ zircon geochronology constraints from two different tectonic events within the Guatemala Suture Zone. (2013). Earth and Planetary Science Letters.
  • Middle Miocene near trench volcanism in northern Colombia: A record of slab tearing due to the simultaneous subduction of the Caribbean Plate under South and Central America? (2013). Journal of South American Earth Sciences.
  • The Tahamı and Anacona Terranes of the Colombian Andes: Missing links between the South American and Mexican Gondwana Margins. (2014). Journal of Geology.
  • Mesoproterozoic crust in the San Lucas Range (Colombia): An insight into the cristal evolution of the Northern Andes. (2014). Precambrian Research.
  • Caracterização e geocronologia SHRIMP U-Pb em zircão das rochas subvulcânicas do sistema pórfiro Yarumalito, distrito de Marmato, Colômbia. (2014). Pesquisas em Geociencias.


Entre los trabajos de grado más relevantes se tienen los siguientes:

  • Caracterización geológica de las anfibolitas de los alrededores de Medellín, 2000.
  • Estudio de las milonitas asociadas a la falla de Sabanalarga, entre las quebradas Juan García y La Suecia (Liborina - Antioquia), 2002.
  • Correlación entre la calificación Q y sondeos eléctricos verticales (SEV) en macizos rocosos del batolito antioqueño, 2005.
  • Flujo a través del macizo rocoso de la margen izquierda de fundación de la presa Porce II (análisis y evaluación de los factores que producen el flujo), 2005.
  • Potencialización del distrito minero Segovia-Remedios, tomando como punto base las licencias La Cristalina y La Cristalina I (ubicadas al norte del municipio de Segovia), 2007.
  • Análisis estructural de macizos rocosos fracturados, 2008.
  • Cartografía geológica y caracterización general de algunas mineralizaciones auríferas de la serranía de San Lucas aledañas al municipio de Barranco de Loba-Sur de Bolívar, 2009.
  • Delimitación litológica del batolito antioqueño con base en técnicas geoestadísticas, 2010.
  • Caracterización geológica: Petrográfica de las unidades localizadas entre los municipios de Ocaña y el Alto de Sanín Villa Norte de Santander, 2011.
  • Geología de la región de Buriticá y mineralización asociada en inmediación a la mina Yaraguá 2012.
  • Cartografía geológica, caracterización petrográfica y análisis estructural de la zona comprendida entre las quebradas la Juanes y la Higuiná, Santa Fe de Antioquia, Antioquia, Colombia, 2013.
  • Modelo geológico y estructural para determinar los controles de las mineralizaciones entre Santa Fe de Antioquia y Anzá, 2014.


NOTA ACLARATORIA
La revisión editorial y la corrección de estilo de este artículo estuvieron a cargo del grupo GEMMA.




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