Assessment and characterization of subsidence in the Catalan potash basin

Abstract

(English) The importance of potash is inevitable to life on the planet earth as it is required by living mechanisms including plants, animals and human beings. In Europe, this vital ore is produced mainly by Germany and Spain, which consists of up to 10% of the global supply. As a matter of fact, higher demand for potash may be required due to population growth. This may lead to increasing potash mining activities, which might create instability with regard to the geomechanical features of the mining areas and potential environmental and social impacts. The main objective of this research is to approach innovative models that can describe the geomechanical behavior of the Catalan Potash Basin deposit. Including concern about surface subsidence, high deformations and collapses of underground potash mining, with the ultimate goal of improving the present working conditions and mitigating the environmental impacts. Four Specific objectives have been defined; (1) The creation of a model to predict subsidence based on the geomechanical parameters of the ore deposit. (2) The Geochemical characterization of the pelitic and insoluble phase detected between the saline beds and within them. (3) The characterization of the surface subsidence basin, including boundary angle and distance of influence. (4) The assessment of the deformations in the underground mining facilities. To achieve these objectives, a combination of FEM, InSAR, GPS, Laser Scanner and Geochemical techniques has been used to predict the subsidence and achieve a better geomechanical behavior characterization of it, which have resulted in two main outcomes. First, it has been established that numerical 2D modeling is a useful tool for planning land management and mining operations, providing the flexibility and predictability needed to manage huge surfaces and reduce environmental consequences. The approach is also adaptable to other subsurface infrastructure types. Second, the subsidence basin has been successfully characterized. Third, pelitic layers with insoluble mineralogy within saline lithologies have successfully undergone geochemical examination. However, to expand the study area to include the entire active ore deposit mineralogy, additional examination will be required. Fourth, the laser scanner technique has been satisfactorily assessed, it has given important insights into the displacements that occur during the early opening of an underground mining drift affirming that it is a suitable technique to be implemented for routinely tracking deformations in the geomechanical management of the ore deposit. However, it is necessary to perform a precise topographic control of the targets used, in order to correctly georeference the point clouds produced by the laser scanner. Furthermore, characterization of the subsidence has been successfully assessed in the eastern portion of the Catalan Potash Basin. With the help of the methods mentioned, it was possible to evaluate a large dataset and identify four unique zones, one of which was experiencing residual subsidence. Mining firms may choose to use this flexible and effective method and apply it to other studies involving subsidence. In the end, based on the results and objectives achieved in the study, suggestions for further research have been proposed, which can further advance the knowledge in this line of research. The structure of the thesis is as follows: Chapter 1 introduces the case study and states the objectives and hypothesis developed in the research. In chapter two, an extensive and precise bibliographic review is made. Chapter 3 describes the methodologies followed in the different investigations developed. Chapter 4 presents the results and discusses them. Finally, Chapter 5 presents the conclusions and proposes future research to improve and complement the knowledge obtained.

(Català) La potassa és essencial per a la vida en el planeta Terra, ja que és necessària per a tots els éssers vius que hi habiten, com les plantes, els animals o els éssers humans. A Europa, aquest mineral es produeix principalment a Alemanya i a Espanya, la seva producció consisteix fins al 10% de l'oferta mundial. A causa de l'increment de la població mundial, és possible que sigui necessària una major demanda de potassa, fet que podria conduir a què les activitats mineres haguessin d'arribar a profunditats majors per tal d'extreure aquest recurs essencial, incrementant la inestabilitat d'aquestes infraestructures així com la pos s ibilitat de generar impactes ambientals i socials, com és el cas de la s ubs idència superficial. L'objectiu principal d'aquesta recerca és aproximar models innovadors que puguin descriure el comportament geomecànic del dipòsit de la Conca Potàssica Catalana, així com, de la subsidència superficial, les altes deformacions que actuen en la zona, amb l'objectiu final de millorar les condicions de treball actual i mitigar els impactes ambientals. S'han definit quatre objectius específics; (1) La creació d'un model per predir la subsidència basada en els paràmetres geomecànics del dipòsit de mineral. (2) La caracterització geoquímica de la fase pelítica i insoluble detectada entre els llits salins i dins d'ells. (3) La caracterització de la conca de subsidència superficial, incloent-hi l'angle crític de subsidència i la distància d'influència. (4) L'avaluació de les deformacions en les instal·lacions mineres subterrànies. Per aconseguir aquests objectius, predir la subsidència i aconseguir una millor caracterització del comportament geomecànic, s'han utilitzat una combinació de tècniques analítiques, anàlisis FEM, InSAR, GPS, làser escàner i algunes tècniques geoquímiques que han donat lloc a quatre resultats principals. En primer lloc, s'ha establert un modelatge numèric 2D, aquesta és una eina útil per a la planificació de la gestió del terreny i les operacions mineres, que proporciona la previsió i flexibilitat necessàries per gestionar grans superfícies i reduir les conseqüències mediambientals. Aquest enfocament és adaptable a altres tipus d'infraestructura subterrània. En segon lloc, les capes pelítiques amb mineralogia insoluble dins de les litologies salines s'han examinat geoquímicament amb èxit. No obstant això, per ampliar l'àrea d'estudi, així incloure tota la mineralogia de dipòsit, serà necessari un examen addicional. En tercer lloc, s'ha caracteritzat amb èxit la part oriental del dipòsit de la Conca Potàssica Catalana, s'ha avaluat un conjunt extens de dades i identificat quatre zones úniques, incloent-hi una àrea amb subsidència residual. En quart lloc, la tècnica de l'escàner làser ha estat aplicada satisfactòriament, ha donat informació important sobre els desplaçaments que es produeixen durant l'obertura inicial d'una galeria minera subterrània, confirmant que és una tècnica adequada per ser implementada per avaluar les deformacions que succeeixen en la producció diària d'una mina subterrània. No obstant això, és necessari mantenir un control topogràfic precís de les ubicacions on es localitzen les dianes necessàries per a georeferenciar correctament els núvols de punts produïts per aquesta tècnica. Gràcies a la visió pràctica i precisió dels mètodes i resultats aconseguits, les empreses mineres poden optar en utilitzar aquests mètodes flexibles i eficaços i aplicar-los a altres estudis de subsidència. Addicionalment, basantse en els resultats i objectius assolits en l'estudi, s'han proposat suggeriments per continuar avançant en el coneixement d'aquesta línia de recerca.