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
BLOQUE I - INTRODUCCIÓN
BLOQUE II - DESARROLLO METODOLÓGICO
1 - RECOPILACIÓN, ORGANIZACIÓN Y ANÁLISIS DE DATOS
2 - MODELOS CONCEPTUALES
3 - MODELIZACIÓN NUMÉRICA
BLOQUE III - CONCLUSIONES
3
1 - ÁMBITO DE LA INVESTIGACIÓN
2 - DESCRIPCIÓN DEL CASO DE ESTUDIO
3 - MOTIVACIÓN Y OBJETIVOS
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
BLOQUE I - INTRODUCCIÓN
BLOQUE II - DESARROLLO METODOLÓGICO
1 - RECOPILACIÓN, ORGANIZACIÓN Y ANÁLISIS DE DATOS
2 - MODELOS CONCEPTUALES
3 - MODELIZACIÓN NUMÉRICA
BLOQUE III - CONCLUSIONES
6
1 - ÁMBITO DE LA INVESTIGACIÓN
2 - DESCRIPCIÓN DEL CASO DE ESTUDIO
3 - MOTIVACIÓN Y OBJETIVOS
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
BLOQUE I - INTRODUCCIÓN
BLOQUE II - DESARROLLO METODOLÓGICO
1 - RECOPILACIÓN, ORGANIZACIÓN Y ANÁLISIS DE DATOS
2 - MODELOS CONCEPTUALES
3 - MODELIZACIÓN NUMÉRICA
BLOQUE III - CONCLUSIONES
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1 - ÁMBITO DE LA INVESTIGACIÓN
2 - DESCRIPCIÓN DEL CASO DE ESTUDIO
3 - MOTIVACIÓN Y OBJETIVOS
‒ 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
BLOQUE I - INTRODUCCIÓN
BLOQUE II - DESARROLLO METODOLÓGICO
1 - RECOPILACIÓN, ORGANIZACIÓN Y ANÁLISIS DE DATOS
2 - MODELOS CONCEPTUALES
3 - MODELIZACIÓN NUMÉRICA
BLOQUE III - CONCLUSIONES
12
1 - ÁMBITO DE LA INVESTIGACIÓN
2 - DESCRIPCIÓN DEL CASO DE ESTUDIO
3 - MOTIVACIÓN Y OBJETIVOS
13
PROCESAR, ANALIZAR E INTERPRETAR
PASO 1
PASO 2
PASO 4
PASO 3
Metodología
14
PASO 1
PROCESAR, ANALIZAR E INTERPRETAR
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
Recopilación bibliográfica
Gradiente y flujo geotérmico
Parámetros térmicosConductividades térmica Capacidad térmica volumétrica
Recopilación bibliográfica
18
PASO 2
PROCESAR, ANALIZAR E INTERPRETAR
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
PROCESAR, ANALIZAR E INTERPRETAR
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.
PROCESAR, ANALIZAR E INTERPRETARPASO 3
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
PROCESAR, ANALIZAR E INTERPRETARPASO 3
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
PROCESAR, ANALIZAR E INTERPRETARPASO 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
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
PROCESAR, ANALIZAR E INTERPRETARPASO 3
27
PROCESAR, ANALIZAR E INTERPRETAR
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
BLOQUE I - INTRODUCCIÓN
BLOQUE II - DESARROLLO METODOLÓGICO
1 - RECOPILACIÓN, ORGANIZACIÓN Y ANÁLISIS DE DATOS
2 - MODELOS CONCEPTUALES
3 - MODELIZACIÓN NUMÉRICA
BLOQUE III - CONCLUSIONES
29
1 - ÁMBITO DE LA INVESTIGACIÓN
2 - DESCRIPCIÓN DEL CASO DE ESTUDIO
3 - MOTIVACIÓN Y OBJETIVOS
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
BLOQUE I - INTRODUCCIÓN
BLOQUE II - DESARROLLO METODOLÓGICO
1 - RECOPILACIÓN, ORGANIZACIÓN Y ANÁLISIS DE DATOS
2 - MODELOS CONCEPTUALES
3 - MODELIZACIÓN NUMÉRICA
BLOQUE III - CONCLUSIONES
35
1 - ÁMBITO DE LA INVESTIGACIÓN
2 - DESCRIPCIÓN DEL CASO DE ESTUDIO
3 - MOTIVACIÓN Y OBJETIVOS
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
BLOQUE I - INTRODUCCIÓN
BLOQUE II - DESARROLLO METODOLÓGICO
1 - RECOPILACIÓN, ORGANIZACIÓN Y ANÁLISIS DE DATOS
2 - MODELOS CONCEPTUALES
3 - MODELIZACIÓN NUMÉRICA
BLOQUE III - CONCLUSIONES
46
1 - ÁMBITO DE LA INVESTIGACIÓN
2 - DESCRIPCIÓN DEL CASO DE ESTUDIO
3 - MOTIVACIÓN Y OBJETIVOS
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