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DESARROLLO METODOLÓGICO PARA LA CARACTERIZACIÓN GEOTÉRMICA DE MINAS

SUBTERRÁNEAS, CONCEPTUALIZACIÓN Y MODELIZACIÓN NUMÉRICA.

Autor: Ramón Díaz Noriega

Director: José Paulino Fernández Álvarez

Departamento de Explotación y Prospección de Minas

Universidad de Oviedo

1

Escuela de Ingeniería de Minas,

Energía y Materiales de Oviedo

PREMIO A LA MEJOR TESIS DOCTORAL – EDICIÓN 2017

Aula de Minería HUNOSA

Oviedo, 20 de marzo de 2018

ÍNDICE

BLOQUE I - INTRODUCCIÓN

BLOQUE II - DESARROLLO METODOLÓGICO

1 - RECOPILACIÓN, ORGANIZACIÓN Y ANÁLISIS DE DATOS

2 - MODELOS CONCEPTUALES

3 - MODELIZACIÓN NUMÉRICA

BLOQUE III - CONCLUSIONES

2

1 - ÁMBITO DE LA INVESTIGACIÓN

2 - DESCRIPCIÓN DEL CASO DE ESTUDIO

3 - MOTIVACIÓN Y OBJETIVOS

ÍNDICE







3




4

Ámbito de la investigación

AGUA Hidrogeología

CALOR Geotermia

MINAS SUBTERRÁNEASIngeniería de Minas

TESIS

Mas de 20 instalaciones en minas abandonadas.

LOCALIZACIÓN TIPO DE MINA FECHA REFERENCIAS

Wyoming, USA Carbón 1979 Edward Moran (1981)

Essen–Heisingen, Germany Carbón 1984 Wieber & Pohl (2008)

Springhill, Nova Scotia, Canada Carbón 1986 Banks et al.(2004)

Ehrenfriedersdorf, Sachsen, Germany Estaño 1994 Wieber & Pohl (2008)

Park Hills, Missouri, USA Plomo 1995 Banks et al.(2004)

Folldal, Norway Cobre 1998 Banks et al. (2004)

Shettleston, Scotland, UK Carbón 1999 Preene (2012)

Zollverein, Essen–Katernberg, Germany Carbón 2000 Wieber & Pohl (2008)

Lumphinnans, Fife, Scotland, UK Carbón 2001 Watzlaf & Ackman (2006)

Heerlen, Netherlands Carbón 2002 Roijen (2011)

Kongsberg, Norway Plata 2005 Banks et al.(2004)

Marienberg, Sachsen, Germany Uranio 2007 Wieber & Pohl (2008)

Mieres, Spain Carbón 2009 Loredo et al. (2011)

5

Instalaciones a nivel mundial

ÍNDICE







6




7

Pozo Barredo

Monte de Polio

Río Turón

Río Caudal

Río San Juan

POZO

TRES AMIGOS

POZO

FIGAREDO

POZO

SAN JOSÉ

POZO

SANTA BÁRBARA

POZO POLIO

8

Sistema abierto con cuatro bombas sumergidas a diferentesprofundidades.

Captación geotérmica

-150-130-110

-90-70-50-30-101030507090

110130150170

21.5 22.5 23.5 24.5 25.5

COTAS (m.s.n.m)

TEMPERATURAS (ºC)

Bomba 1 (B1)Bomba 2 (B2)Bomba 4 (B4) Bomba 3 (B3)

Sensor

362 m

Posición transversales

Perfil térmico

ÍNDICE







9




‒ Necesidad de conocer mejor el funcionamiento del yacimiento parapoder optimizar la gestión del recurso renovable.

‒ Las dificultades de acceso a la mina, obligan a utilizar de la mejor formaposible los datos disponibles.

‒ Carencia de metodologías específicas que puedan aplicarsedirectamente al estudio de estos yacimientos geotérmicos.

‒ En la Cuenca Carbonífera Central de Asturias hay otras minassusceptibles de aprovechamiento geotérmico .

‒ Sabemos que las técnicas de modelización y las capacidades de lossimuladores numéricos actuales, permiten abordar el problema.

10

Motivaciones

Desarrollar una metodología de modelización, paracaracterizar los sistemas geotérmicos en minas subterráneasde carbón inundadas, formular modelos conceptuales, eimplementar modelos de simulación numérica.

11

Objetivo Principal

La metodología desarrollada debe ser útil para:

- Optimizar el uso e interpretación de la información disponible.

- Comprender mejor el funcionamiento de las minas inundadas como yacimientos geotérmicos.

- Tener capacidades de extrapolación a otras minas.

ÍNDICE







12




13

PROCESAR, ANALIZAR E INTERPRETAR

PASO 1

PASO 2

PASO 4

PASO 3

Metodología

14

PASO 1


Metodología

15

Reconstrucción histórica de la mina y labores de la zona

PASO 1

16

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

mar-09 ago-10 dic-11 may-13

Cau

dal

de

bo

mb

eo

(m

3/d

)

130

140

150

160

170

180

190

200

dic-08 sep-10 jul-12

Co

ta (

m.s

.n.m

.)

0

50

100

150

200

250

ene.-99 jul.-04 dic.-09 jun.-15

Pre

cip

itac

ión

men

sual

ac

um

ula

da(

mm

)Mediciones meteorológicas AEMET Ordoñez et al. (2009) HUNOSA

Bombeos

Histórico de Barredo, Figaredo, San José y Santa Bárbara

HUNOSA

Niveles piezométricos HUNOSA

Histórico de Barredo, Figaredo, San José y Santa Bárbara

Geología y Parámetros hidrogeológicosConductividades hidráulica Aumento entre 10 y 103 m/d

PorosidadesAumento del 10% al 60%

Recopilación bibliográfica

PASO 1

PASO 1

20

21

22

23

24

25

26

27

20/07/2014 17/11/2014 17/03/2015 15/07/2015

Tª (°C)

17

-100

-80

-60

-40

-20

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

21.0 22.0 23.0 24.0 25.0 26.0

CO

TAS

(m.s

.n.m

)

Tª (ºC)

Perfiles térmicos Temperatura del agua HUNOSASensores de Barredo, Figaredo, San José y Santa Bárbara.Mediciones en Barredo y Figaredo.

Series temporales


Gradiente y flujo geotérmico

Parámetros térmicosConductividades térmica Capacidad térmica volumétrica


18

PASO 2


Metodología

19

FUENTES FUENTES

TEMÁTICAS TEMÁTICAS

FORMATOS

ELEMENTOS DE CONTROL Y SÍNTESIS

TRATAMIENTO Y PROCESADO DE

DATOS

PASO 2

20

PASO 3 PROCESAR, ANALIZAR E INTERPRETAR

Metodología

21

Distribución de las labores y métodos de explotación

Flanco Oeste Sur 1

Flanco Oeste Sur 2

Flanco Este Sur 1

Flanco Este Sur 2

Flanco Oeste Norte

Flanco Este Norte

Caña del Pozo Flanco Oeste Sur 1

Caña del Pozo

Esquema 3D

Métodos empleados: 1 Hundimiento 14 Relleno

15 capas carbón

PROCESAR, ANALIZAR E INTERPRETARPASO 3


22

Conexiones de Barredo con otras minas de valle y montaña

Fuente: HUNOSA (modificado)

SANTA BÁRBARA

SAN JOSÉ

BARREDO

FIGAREDO

Conexión neta

Conexión neta

Conexión difusa

PASO 3

0400,000

800,000

Caudal Mensual(m3)

FIGAREDO BARREDO STA. BÁRBARA S. JOSÉ

23

Bombeos en las minasTendencias y valores representativos.


Niveles de inundación en los pozosTendencias diferenciales entre pares de pozos

24

140

150

160

170

180

190

200

210

220

Sanata Barbara San José San Inocencio BarredoSanta Bárbara Figaredo


25

Temperatura en los pozosTendencias diferentes entre pozos.

20

20.5

21

21.5

22

22.5

23

23.5

24

24.5

25

25.5

26

26.5

27

20/07/2014 17/11/2014 17/03/2015 15/07/2015

Temperatura (°C)

Santa Barbara San José San Inocencio BarredoFigaredo


-175

-150

-125

-100

-75

-50

-25

0

25

50

75

100

125

150

175

200

21.0 21.5 22.0 22.5 23.0 23.5 24.0 24.5 25.0

CO

TAS

SOB

RE

EL N

IVEL

DEL

MA

R

TEMPERATURAS

Bomba 3

-175

-150

-125

-100

-75

-50

-25

0

25

50

75

100

125

150

175

200

21.0 21.5 22.0 22.5 23.0 23.5 24.0 24.5 25.0

TEMPERATURAS

Bombas 1, 2, 3 y 4

-175

-150

-125

-100

-75

-50

-25

0

25

50

75

100

125

150

175

200

21.0 21.5 22.0 22.5 23.0 23.5 24.0 24.5 25.0

TEMPERATURAS

Bomba 4

-175

-150

-125

-100

-75

-50

-25

0

25

50

75

100

125

150

175

200

21.0 21.5 22.0 22.5 23.0 23.5 24.0 24.5 25.0

TEMPERATURAS

Bombas 1, 2 y 4

26

Perfiles térmicosZonación vertical y agrupación de perfiles térmicos función del bombeo


27


Metodología

PASO 4

28

Efecto del bombeo en perfiles de temperatura

Campañas de medición

SIN BOMBEO CON BOMBEO POSICIÓN TRANSVERSALES

Temperatura (⁰C)

PASO 4

ÍNDICE







29




Modelos conceptuales

1. Hipótesis de comportamiento del sistemaFormalizan el marco teórico de estudio.

2. Geometría del dominio Define el contexto espacial y dimensionalidad.

3. Condiciones de contorno Sustituyen las relaciones con el medio exterior.

4. Distribución de parámetrosDescriben las propiedades de los materiales en dominio del modelo.

Contemplan y describen 4 aspectos fundamentales:

30

31

Modelo conceptual de flujo 3D

BOMBEO POZO BARREDO

RECARGA

CONDICIÓN DE CONTORNO DE NIVEL

CONOCIDO

CONDICIÓN DE CONTORNO IMPERMEABLE

Pozo Figaredo

Pozo San José

Pozo Barredo

32

Función de las labores y la alteración minera.Jerarquía de conductividades hidráulicas.

Distribución de parámetros hidrogeológicos

Unidad Macizo Inalterado KM

KA

Zonación general Zonación detallada

Galerías

Talleres

KA

KT

KG

KM

Unidad Macizo Alterado

Se basa en la geometría de la mina y los flujos.

33

Enfoque conceptual de flujo 2D

BOMBEO

FLUJOS

TRANSVERSALESPOZO

TRANSVERSALES

POZO

BOMBEO

MACIZOS DE PROTECCIÓN

Condiciones de contorno y parámetros

1 km

0.5

km

TRANSVERSALES GENERALESCAÑA DEL

POZO BARREDO

BOMBAS

1-2-4

NIVEL MEDIO

FIGAREDO

FLUJO GEOTÉRMICO

0.057 mW/m2

Tª Media = 13.5 ºC

BOMBA

3

Qmax. Bomba= 5160 m3/d

34

Gradiente

Geotérmico

λ = 0.65 W/m K CV= 4.2 MJ/m3 K CV = 2.52 MJ/m3 Kλ = 3 W/m K

Porosidad = 0.01K = 10-2 m/dK = 106 m/d Porosidad = 1

Modelo conceptual de flujo y calor 2D

ÍNDICE







35




36

Estrategia de modelización

Limitaciones constructivas

Proyección Vertical Frontal Proyección Vertical Lateral

Comportamientos y Problemas numéricos

BombeoCondición de

Contorno Dirichlet

Recarga

FEFLOW®

37

1. Flujo de agua subterránea

MODELOS NUMÉRICOS

2. Flujo de agua subterránea +

Transporte de calor

3D

2D

38

Modelos numéricos de flujo de agua

Modelos de simulación

Procesado SIGzonación

Unidades Hidrogeológicas

Planos de Labores de la

mina

Procedimiento

Paso 1 Paso 2 Paso 3

Red Elementos Discretos

Paso 4

Pozo

Barredo

Pozo

Figaredo

IMPLEMENTACIÓN DE MODELOS

39

Calibración y análisis de sensibilidad

RECARGA SUPERFICIE = 125 mm/m2

BOMBEO = 7500 m3/d

CONDICIÓN DE CONTORNO

DE NIVEL =154 m. s. n. m.

CONDICIÓN DE CONTORNO IMPERMEABLE

Conductividad hidráulica (m/d)

KG KT KA KM

1·105 1·104 1·10-2 2.5·10-3

40

Resultados de las simulaciones

1665

1458

2289

2062

0 1000 2000 3000

Caudal (m3/d)

PLANTA 2

PLANTA 3

PLANTA 4

PLANTA 5

Balances parciales por plantas Superficies piezométricas y líneas de flujo

Velocidades del flujo

III’

III

41

1. Flujo de agua subterránea

MODELOS NUMÉRICOS

2. Flujo de agua subterránea +

Transporte de calor

3D

2D

Propósito─ Aprovechar su carácter interpretativo sin recurrir a la modelización 3D.─ Evaluar la interacción entre la física del flujo de agua y la de calor.─ Integrar los datos termométricos disponibles.

42

Modelos numéricos de flujo y transporte de calor

Modelos de simulación

Definir geométricamente los

elementos del dominioDiscretizar

Paso 1 Paso 2 Paso 3

362 m

700 m

Zonación de parámetros

SERIES

Ejecutar

IMPLEMENTACIÓN DE MODELOS

Procedimiento

43

OBJETIVO: evaluar los factores que producen anomalías en los perfiles térmicos.

CONFIGURACIÓN BOMBEO

FLUJO TRANSVERSALES

INYECCIONES GALERÍAS

GRADIENTE GEOTERMICO

Modelo hidrostático

ideal

Paso 1

Regular factores

Paso 3

Perfiles reales vs. simulación

Modelos de ajuste

-175-150-125-100

-75-50-25

0255075

100125150175200

21 22 23 24 25 26

CO

TAS

(m.s

.n.m

.)

TEMPERATURAS (ºC)

Real

Simulación

Procedimiento

Modelos numéricos de flujo y transporte de calorSERIES DE SIMULACIONES INTERPRETATIVAS

Paso 2 Combinación de factores

13.5 ºC

?

B1,2,4

A-P4

1500 m3/dQ= 15480 m3/d

Gradiente

0.032 ºC/m

160 m

0.057 mW/m2

A-P3

A-P2

1000 m3/d

500 m3/d

Modelo de ajuste

-175

-150

-125

-100

-75

-50

-25

0

25

50

75

100

125

150

175

200

21 22 23 24 25 26

CO

TAS

(m.s

.n.m

.)

TEMPERATURAS (ºC)

B4-15480-BC1-P5-BC3-0032-R_1500P2-1000P3-500P4

T-08/07/2010

T-09/08/2010

Objetivo: perfil térmico de medición T-8/7/2010

44

Modelo Conceptual Modelo de Simulación Sección vertical - isotermas

Perfiles térmicos de simulación frente a datos reales

Ejemplo - Modelo de ajuste 1

13.5 ºC

?

B1,2,4

A-P4

1500 m3/dQ= 5160 m3/d

Gradiente

0.032 ºC/m

160 m

0.057 mW/m2

A-P3

A-P2

1000 m3/d

500 m3/d

Modelo de ajuste

-175

-150

-125

-100

-75

-50

-25

0

25

50

75

100

125

150

175

200

21 22 23 24 25 26

CO

TAS

(m.s

.n.m

.)

TEMPERATURAS (ºC)

B4-5160-BC1-P5-BC3-0032+R_1500P2-1000P3-500P4

T-08/07/2010

T-09/08/2010

Objetivo: perfil térmico de medición T-9/8/2010

45

Modelo Conceptual Modelo de Simulación Sección vertical - isotermas

Perfiles térmicos de simulación frente a datos reales

Ejemplo - Modelo de ajuste 2

ÍNDICE







46




Q= 5160 m3/d

Conclusiones

47

1. Esta investigación manifiesta la importancia de conservar y poner en valor la información de

los archivos históricos mineros.

2. Es necesaria una planificación previa a la inundación de las minas que tenga en cuenta la

monitorización de otras partes de la mina además de la caña del pozo.

3. La modelización de las minas demanda procedimientos específicos como los que se han

propuesto para tratar la información minera y los SIG son la mejor herramienta para ello.

4. Los enfoques conceptuales formulados muestran que se puede abordar el estudio del

comportamiento geotérmico individualizado de una sola mina dentro de un complejo

minero.

5. El enfoque conceptual 2D es útil porque reduce el problema al ámbito espacial que

describen los datos de medición en las cañas de los pozos.

6. Los modelos de simulación 2D ayudan a interpretar los datos y son útiles en cuestiones

como la configuración de instalaciones de bombeo para captaciones en sistema abierto.

7. La estrategia de modelización de flujo 3D permite estudiar los patrones de flujo de agua

por plantas que son un factor determinante en la temperatura del pozo.

Q= 5160 m3/d

48

1. Las primeras etapas de la metodología han sido puestas a prueba

satisfactoriamente por investigadores de la Universidad de Oviedo

las minas Pozo Pumarabule y Pozo Mosquitera (Proyecto MERIDA).

2. La metodología está actualmente poniéndose a prueba por

miembros de la Unidad de Modelización Hidrogeofísica y Ensayos No

Destructivos de la Universidad de Oviedo en las minas Pozo Candín y

Fondón.

Capacidad de extrapolación de la metodología:

Conclusiones

GRACIAS POR SU ATENCIÓN

49

DESARROLLO METODOLÓGICO PARA LA CARACTERIZACIÓN GEOTÉRMICA DE MINAS

SUBTERRÁNEAS, CONCEPTUALIZACIÓN Y MODELIZACIÓN NUMÉRICA.

Autor: Ramón Díaz Noriega

Universidad de Oviedo

50

Escuela de Ingeniería de Minas,

Energía y Materiales de Oviedo

PREMIO A LA MEJOR TESIS DOCTORAL – EDICIÓN 2017

AULA HUNOSA DE MINERÍA

Oviedo, 20 de marzo de 2018

[email protected]

mailto:[email protected]

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