DEMIN/EM/UFOP MIN 225 Estabilidade de Escavações Subterrâneas Prof José Margarida da Silva Setembro/2007
ABERTURAS SUBTERRÂNEAS COM DESENVOLVIMENTO LINEAR
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POÇOS (VERTICAIS E INCLINADOS) RAMPAS TÚNEIS GALERIAS HORIZONTAIS (CABECEIRAS, TRAVESSAS) INCLINADAS OU VERTICAIS (SUBIDAS OU RAISES, DESCIDAS OU WINZES, CHAMINÉS, PASSES - PASSAGENS DE MINÉRIO, DE ESTÉRIL, DE PESSOAL, DE ENCHIMENTO
COM DESENVOLVIMENTO EM VOLUME • ALARGAMENTOS OU REALCES (“STOPES”) • CÂMARAS DIVERSAS (“ROOMS”) - SILOS, CASA DE MÁQUINAS, REFEITÓRIOS, ÁREAS DE OFICINAS, INSTALAÇÃO DE BRITAGEM ETC
1. Tensões em maciços rochosos • Maciço rochoso: rocha + descontinuidades + água. • Tensão: relacionada à tendência de deslocamento relativo das partículas de um corpo, em função de solicitações externas; grandeza que depende do plano considerado; dimensionalmente, é igual a pressão. • Maciços rochosos: comportam-se como descontínuos; meios anelásticos. • Müller (1963): redução de até 1/30 na resistência da rocha devido à existência de planos de fraqueza.
Estado de tensões • O estado de tensões no interior de um maciço rochoso varia, geralmente, de ponto a ponto: valor e direção das componentes principais que o definem. • maciço virgem: não está submetido somente a esforços verticais, mas a um sistema triaxial de tensões. • Arco de pressão
Princípios fundamentais da lavra subterrânea •
abandono de pilares desmonte com o avanço de aberturas paralelas, convenientemente espaçadas, deixando-se porções do minério para formar pilares, de dimensões e formas adequadas, que limitam os vãos das aberturas e promovem a sustentação do teto.
• Enchimento à medida que o material útil vai sendo extraído, o vazio formado é preenchido com outro material, de forma a promover a sustentação do teto. O desmonte da face é integral e a frente se desloca paralelamente a si mesma, sendo acompanhada a certa distância pelo enchimento. O teto na frente de trabalho é normalmente sustentado com estruturas apropriadas para evitar a eventual queda de blocos mais ou menos soltos ("chocos").
Princípios fundamentais da lavra subterrânea • abatimento controlado do teto com o avanço da frente de lavra, em vez de se processar a sustentação com o enchimento, provoca-se o seu desabamento, a uma distância controlada da frente, dissipando-se parte da energia armazenada no maciço. Além disto, a rocha desabada empola, o que inibe a propagação do abatimento, a partir do momento em que os blocos começam a exercer reações apreciáveis sobre o teto, favorecendo a sua sustentação.
Escavações Subterrâneas
DEMIN/EM/UFOP MIN 225 Estabilidade de Escavações Subterrâneas Introdução Prof. José Margarida da Silva março/2009
Sumário • • • • • •
Geomecânica Segurança Estrutural Segurança Ambiental Princípios éticos de extração Mecânica das Rochas Definições e terminologia
Introdução: Geomecânica • Estuda o comportamento de todos os materiais presentes na crosta terrestre. • Mecânica das Rochas: estuda o comportamento dos maciços rochosos em relação a forças externas; na mineração: escavações. • Mecânica dos Solos, Geologia de Engenharia,...
Introdução Trabalhos em minas subterrâneas - grandes aspectos de segurança: • segurança estrutural (técnica) das aberturas, envolvendo tetos, pisos, paredes e pilares; • segurança ambiental, que se refere à criação e manutenção de um ambiente de trabalho confortável e adequado à execução das tarefas pertinentes ao empreendimento. • A preocupação ambiental, em sentido amplo, inclui a preocupação com a segurança.
Princípios éticos fundamentais • Segurança,
• Economia, • Bom Aproveitamento das Jazidas.
Princípio da Segurança • mina é complexo técnico-econômico onde trabalham homens, mas que exige investimentos muito vultosos sob a forma de equipamentos e de estruturas que têm de ser criadas para dar acesso aos locais de onde os minérios são retirados e para o desenvolvimento desses mesmos trabalhos de retirada. • Todos estes investimentos têm que ser, a seu tempo, recuperados. • Tanto os equipamentos como as próprias estruturas de apoio não podem estar à mercê de acidentes que comprometam a recuperação dos correspondentes investimentos.
Princípio da Economia Mineração: • atividade industrial - obrigatoriedade de produzir a preços de custo inferiores aos correspondentes às cotações dos seus produtos num mercado cada vez mais de âmbito mundial. • Indústria pesada - grande inércia, que impõe longos prazos de restituição aos elevados capitais que obriga a investir, a indústria mineira, para ser atrativa aos investidores, tem que oferecer boas ou, pelo menos, razoáveis perspectivas de lucro. • Produção mineral deve ser conseguida aos preços mais baixos possíveis, o que se reflete na obrigatoriedade de otimizar o custo do processo produtivo mineiro em todos os seus complexos pormenores.
Princípio do Bom Aproveitamento das Jazidas • Jazidas minerais não são renováveis à escala temporal da vida humana nem mesmo à escala temporal da Humanidade. • Explotá-los representa a destruição de um capital que não pode ser reposto. Ao contrário de se tentar obter, por reciclagem, produtos minerais anteriormente extraídos e já utilizados, há que minimizar a delapidação dos recursos minerais naturais. • Importa, então, otimizar a recuperação das substâncias minerais das jazidas, de modo que as frações destas, que agora não sejam explotadas, não fiquem em condições tais que impossibilitem a recuperação futura.
Princípios Éticos • A situação do melhor ponto de equilíbrio entre as exigências dos três Princípios Fundamentais tem, porém, variado ao longo dos tempos, de acordo com a valorização relativa dada pelo Homem aos diversos fatores considerados importantes para si e para a Humanidade.
Mecânica de Rochas • A Mecânica de Rochas está relacionada com as propriedades mecânicas e o comportamento das rochas, isto é, como a rocha responde quando sujeita a um campo de forças. • Este campo pode ser induzido pela escavação de uma abertura produzida por meios mecânicos. • Isto é de fundamental importância em mineração porque a rocha é o principal material de construção e também o principal produto do processo de escavação.
Mecânica de Rochas • Engenharia de Minas: interessada no comportamento mecânico do maciço rochoso quando se realizam escavações no mesmo, isto é, parte deste é aliviado. • Engenharia Civil: interessada nas modificações que se introduzem quando o maciço é carregado pela presença de uma barragem, edifício etc. • Esses problemas quase opostos podem ser equacionados conforme: • quais as tensões atuantes no maciço original? • quais as alterações das tensões introduzidas pela escavação ou obra? • qual o efeito das condições geológicas mais complexas?
Mecânica de Rochas • A rocha constitui um caso particular de material de engenharia. • Nas construções com materiais artificiais, a resistência dos materiais é composta em função das necessidades de resistência aos esforços que lhe serão aplicados. • Já na rocha, a resistência lhe é intrínseca e as tensões existem independentemente de outras cargas externas que lhe sejam aplicadas. • Diante desta limitação e mais os custos proibitivos em que incorreria obter-se um projeto de construção pronto na prancheta, existirão fases de projeto, e mesmo de produção, que serão ajustadas à realidade do maciço rochoso.
Mecânica das Rochas Estabilidade das escavações subterrâneas: • se os maciços rochosos têm determinadas características de resistência; • se as aberturas possuem certas formas geométricas e não excedem determinadas dimensões. Mesmo em tais casos, deve ser considerado: • a expansão da rocha no sentido dos vazios, • devido às respectivas características reológicas, as deformações correspondentes processamse, em grande parte, ao longo do tempo.
Mecânica das Rochas • Ações de suportes artificiais e de revestimentos das cavidades podem ser muito variadas, dependendo dos tipos de solicitações que sobre eles exercem os terrenos. Solicitações: • que resultam de simples ações de peso do material descomprimido, correspondente às zonas aliviadas de tensões da vizinhança dos vazios – em geral, susceptíveis de serem controladas, • que provêm diretamente dos campos de tensões instalados - controladas, em regra, quando os campos de tensões, instalados nos terrenos antes da abertura das cavidades, têm intensidades reduzidas.
Mecânica das Rochas • Indispensável conhecimento do intervalo de tempo durante o qual se pretende que escoramentos ou revestimentos exerçam convenientemente suas funções. • Desse tempo depende, geralmente, a importância da deformação dos terrenos a que se aplicam e, portanto,a intensidade máxima das reações que têm de suportar.
Definições; terminologia • “escoramento” ou “sustentação” engloba uma série de técnicas que utilizam elementos de madeira, metálicos ou de concreto (armado ou não), destinados a aumentar a segurança de cavidades.
Terminologia Estrutura
todo arranjo espacial de elementos físicos, compostos de qualquer material, capaz de resistir a esforços solicitantes em um horizonte previsto de tempo, com um dado fator de segurança e sofrendo deformação entre limites pré-determinados;
Terminologia Dimensionamento de uma estrutura: definição das dimensões elementos que a compõem, para que possam resistir aos esforços solicitantes, conhecendo-se: • os valores destes esforços, • os limites aceitáveis de deformação, • o tempo previsto de sua utilização, • o fator de segurança desejado ou considerado.
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS • • • • • •
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Ayres da Silva, L. A. 1993. Mecânica de Rochas Aplicada à Mineração. Apostila da Pós-graduação. Escola Politécnica da USP Ayres da Silva, L. A. & Hennies, W. T. 1988. Abertura de Vias Subterrâneas - Escoramento em Vias Subterrâneas. EPUSP. 73 p. Hennies, W. T. & Ayres da Silva, L. A. 1970. Mecânica de Rochas Aplicada à Mineração. EPUSP. Mello Mendes, F. 1996. A Segurança Estrutural em Engenharia de Minas. Geotecnia. Sociedade Portuguesa de Geotecnia. n.º 74, p. 1 - 13. Bieniawski, Z. T. 1984. Rock Mechanics Design in Mining and Tunnelling. Balkema. Rotterdam, pp. 1-4. Goodman, R. E. 1980. Introduction to Rock Mechanics. John Wiley & Sons, pp. 97 e 211. Stacey, T. R.; Page, C. H. 1986. Practical Handbook for Underground Rock Mechanics. Trans Tech Publications, 144 pp. Bieniawski, Z. T. Design Methodology in Rock Engineering. Balkema. 1992. Hudson e Harrison. Engineering Rock Mechanics. Pergamon. 2007. Villaescusa e Potvin. Ground Support in Mining & Undreground Construction.Balkema. 2004. Chang-Yu Ou. Deep excavation. Taylor & Francis. 2006.
DEMIN/EM/UFOP MIN 225 Estabilidade de Escavações Subterrâneas Prof. José Margarida da Silva março/2009
1. Tensões em maciços rochosos • Maciço rochoso: rocha + descontinuidades + água. Tensão: • relacionada à tendência de deslocamento relativo das partículas de um corpo, em função de solicitações externas; • grandeza que depende do plano considerado; • dimensionalmente, é igual a pressão.
Tensões - introdução • Maciços rochosos: comportam-se como descontínuos; meios anelásticos. • Müller (1963): redução de até 1/30 na resistência da rocha devido à existência de planos de fraqueza.
Estado de tensões • O estado de tensões no interior de um maciço rochoso varia, geralmente, de ponto a ponto: valor e direção das componentes principais que o definem. • maciço virgem: não está submetido somente a esforços verticais, mas a um sistema triaxial de tensões. • antes de ser escavado: tensões naturais ou tensões “in situ”.
Tensões induzidas • Escavação: ocorre modificação no estado natural de tensões, com redistribuição de tensões no maciço circunvizinho (tensões induzidas) .
• Limite: “arco de pressão”. • Ruptura: no caso geral, devida a esforços de flexão ou de cisalhamento, porque a resistência da rocha a estes tipos de solicitação é muito menor do que à compressão.
Tensões em maciços • Maciço regular e homogêneo: pode ser adaptado a modelo clássico da Mecânica de Rochas (fornece, pelo menos, o sentido e a ordem de grandeza dos fenômenos); o mais simples é o modelo elástico.
• Rocha não homogênea: pode se tentar assimilar o maciço rochoso a um outro modelo teórico (plástico, elasto-plástico etc). • modelamento matemático ou modelagem numérica.
Regra de Heim • Heim, em 1912: maciços rochosos seriam incapazes de suportar grandes diferenças de tensões. • Associando-se aos efeitos de deformação dependentes do tempo, levaria a um campo de tensões naturais, onde as componentes vertical e lateral tenderiam a se igualar (campo uniforme de tensões), ao longo do tempo geológico. • Hoek & Brown (1980): sugestão de Heim é aplicável a rochas incompetentes, como é o caso de carvão e evaporitos.
Estimativa de tensões laterais • K = H / p • Hoek & Brown: a pequenas profundidades, K é extremamente variável, freqüentemente maior que 1. • À medida que aumenta a profundidade, a variação de K é menor e seu valor se aproxima de 1. • Maioria dos valores de K estão na ampla faixa:
(100/y ) + 0,3 < K < (1500/ y ) + 0,5 y = profundidade
Estimativa de tensões laterais H = K p 1< K <3 para y <1000m 0,5< K< 2 para y >1000m K = /(1-) • H = tensão horizontal média; • p = tensão vertical; • - coeficiente de Poisson
Princípios fundamentais da lavra subterrânea • Abandono de pilares
• Enchimento • Abatimento controlado do teto
• desmonte com avanço de aberturas paralelas, convenientemente espaçadas, deixando-se porções do minério para formar pilares, de dimensões e formas adequadas, que limitam os vãos das aberturas e promovem a sustentação do teto.
à medida que o material útil vai sendo extraído, o vazio formado é preenchido com outro material, de forma a promover a sustentação do teto. O desmonte da face é integral, sendo acompanhada a distância pelo enchimento. O teto na frente de trabalho é normalmente sustentado com estruturas apropriadas para evitar a eventual queda de blocos mais ou menos soltos ("chocos").
com o avanço da frente de lavra, em vez de se processar a sustentação com enchimento, provocase o seu desabamento, a uma distância controlada da frente, dissipando-se parte da energia armazenada no maciço. Além disto, a rocha desabada empola, o que inibe a propagação do abatimento, a partir do momento em que os blocos começam a exercer reações apreciáveis sobre o teto, favorecendo a sua sustentação.
Referências • De la Vergne. Hard Rock Miners Handbook. 2003. • Goodman, R. E. 1980. Introduction to Rock Mechanics. John Wiley & Sons, pp. 221. • Hoek, E. & Brown, E. T. 1980. Underground Excavations in Rock. pp.112 - 200. • Hoek et al. Support of Underground Excavations in Hard Rock, cap. 10. 1995. • Hudson e Harrison. Engineering Rock Mechanics. Pergamon, p. 31-69. 2007. • Obert, L. and Duvall, W. I 1967. Rock Mechanics and the Design of Structures in Rock. New York. John Wiley and Sons, 650 pp. • Silveira, T. 1987. Técnicas de Sustentação em Minas Subterrâneas. UFOP. • Villaescusa e Potvin. Ground Support in Mining & Underground Construction.Balkema. 2004.
Planejamento e impactos ambientais da lavra
Introdução Gastos
Proteção ambiental
Escolha de projetos industriais
infra-estrutura, disponibilidade de insumos, proximidades do mercado etc.
Os investimentos e custos associados às operações de prevenção, controle, mitigação e restauração Estudo de viabilidade.
Introdução Centros urbanos ou a outros recursos naturais considerados à época e local de interesse pela sociedade.
Mineração
Conflitos inevitáveis bens minerais dos ecossistemas extrair, processar e utilizar esses bens
Terra Distúrbio no meio ambiente
Água Ar
Introdução Métodos de extração e beneficiamento Proximidade dos centros urbanos
Áreas de proteção ambiental Intensidade dos impactos Natureza mineralógica do depósito Clima Topografia
QUALIDADE DO MEIO AMBIENTE
Introdução Controle Prevenção
Aceitáveis
Restauração Gerar incômodos
erosão poluição da água e ar, poluição sonora, vibrações no solo, emissão de ondas de choque, alterações da paisagem, desmatamento, etc.
Introdução Locais e de curto prazo Nacionais e longo prazo Desenvolvimento econômico Papel do governo Proteção ambiental
MINERAÇÃO
Proteger e restaurar a qualidade do meio ambiente assegurando concomitantemente o suprimento dos bens minerais a preços considerados satisfatórios, à luz de outros objetivos públicos
DESENVOLVIMENTO SUSTENTÁVEL • Abordagem ao progresso “que atenda às necessidades do presente sem comprometer a capacidade de gerações futuras em satisfazer suas próprias necessidades”. Conhecimento geológico Tecnologia e criação de recursos
Viabilidade econômica.
DESENVOLVIMENTO SUSTENTÁVEL
Sustentabilidade
ambiental
DEGRADAÇÃO DO TERRENO Mineração a céu aberto Mineração subterrânea
Modifica o terreno Extração Beneficiamento Deposição de rejeitos
Bem mineral não retorna ao local circulação servindo ao homem e as suas necessidades Recuperação
Chave Projeto inicial
DESENVOLVIMENTO SUSTENTÁVEL
Desenvolvimento sustentável Poluição •
È necessário que os custos de controle de poluição sejam incorporados às despesas concernentes do empreendimento – Medidas de controle de poluição
– Desenvolvimento de tecnologia
Desperdício processamento de minério ineficiente lavra ambiciosa,
quando a deposição de rejeitos é feita sem a possibilidade de aproveitamento futuro.
Impacto ambiental • Alteração das propriedades físicas, químicas e biológicas do meio ambiente Matéria ou energia resultantes das atividades humanas Direta ou indiretamente A segurança e o bem estar da população; as atividades sócio econômicas a biota; as condições estéticas e sanitárias do meio ambiente a qualidade dos recursos ambientais
Legislação Recuperar
Reabilitar o meio ambiente
Lei 6938/81 (Política Nacional do Meio Ambiente) que adota o critério de responsabilidade objetiva em seu artigo 14 “o poluidor é obrigado, independente da existência de culpa, a indenizar ou reparar os danos causados ao meio ambiente e a terceiros afetados pela sua atividade”.
Lei 9605/98 (Lei de crimes ambientais) especifica as condições nos quais os danos ambientais serão considerados e tratados como crime, com penas de indenização e reclusão.
Legislação Dispositivo constitucional
Terminada a fase de lavra
Recuperação de áreas degradadas
Solução técnica exigida pelo órgão publico quando do licenciamento ambiental da atividade
97.632 (1989).
Legislação •
Decreto 97.632, de 10.04.1989. Artigo 1o
Os empreendimentos à exploração de recursos minerais EIA e do RIMA
submeter
Plano de recuperação de área degrada (PRAD)
Artigo
3o
Recuperação
objetiva
Retorno do sítio degradado a uma forma de utilização(plano preestabelecido) estabilidade do meio ambiente.
Legislação • Exercício da atividade mineradora no País riscos resultantes da lavra EIA
Aprovado Outorgado a licença
Licenciamento ambiental
Aprova o PRAD
Plano de recuperação de área degrada (PRAD)
Contempla o uso futuro Após o fechamento da mina
Recuperação de áreas degradadas • Manual de Recuperação de Áreas Degradadas pela Mineração ( IBAMA) • Recuperação significa, “retomar o sítio degradado a uma forma e utilização de acordo com um plano pré-estabelecido Condição estável com os valores ambientais, estéticos e sociais. para o uso do solo”. Sítio degradado terá condições mínimas de estabelecer um novo solo e uma nova paisagem
Recuperação de áreas degradadas Recuperação processo lento
planejamento do projeto mineiro muito tempo após o término da lavra
Componentes bióticos e o ambiente equilíbrio.
Fechamento de mina PLANEJAMENTO
Gestão ambiental
Ciclo de vida da mina Exploração Devolução da área reabilitada ou restaurada Antecipo os impactos
Minimizo os custos e investimentos Aumento a eficiência
Fechamento de mina Prevenção e proteção
Controle e monitoramento
PLANEJAMENTO
Desativação e fechamento
Remediação e restauração
Fechamento de mina
Exemplos
• Mineração de carvão – extensão da área minerada • Minimização do o impacto ambiental advindo da remoção do capeamento para exposição de camadas Avanço da frente de lavra seja controlado desde o inicio as áreas modificadas sejam posteriormente recuperadas processo de remoção do capeamento, a camada superior do solo é preservada re-estabelecimento da capacidade regenerativa da cobertura
vegetal, agrícola ou florestal.
Fechamento de mina
Problemas e desafios
•
Impactos de natureza irreversível
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Caráter temporário da atividade mineral
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Rigidez locacional
•
Competição com outros usos potenciais
•
Competição com outros recursos naturais Empresarial desativação
conseqüência
Fechamento de mina Plano de fechamento
Condições de entorno Estabelece uso futuro da área
Avaliado pelo DNPM
Certidão
•
ÁGUA NA MINERAÇÃO Utilização – Insumo – movimentação A ÁGUA NA MINERAÇÃO
Pesquisa
Sondagem rotativa (resfriamento) Amostragem por dragagem (movimentação) Sondagem tipo “Banka”
Desenvolvimento e lavra
Desmonte hidráulico Movimentação por dragagem (aluviões) Bombeamento mina subterrânea (movimentação) Aspersão em pátio e vias de acesso
Beneficiamento
Utilização na cominuição, britagem e peneiramento Utilização na flotação, lixiviação Movimentação para desaguamento Deposição de rejeitos
Transporte
Bombeamento de polpa no mineroduto
Infra-estrutura
Abastecimento etc
Impacto sobre as água • Poluição hídrica – pelo transporte por água pluvial de partículas de áreas decapeadas (minas, pilhas de estéril, estradas, pátios) – pela deposição diretas de estéril em cursos d’água – pelo lançamento de rejeitos nos cursos d’água (com ou sem insumos químicos incorporados)
Impacto sobre as águas • Poluição hídrica – pela deposição de resíduos sólidos não inertes contaminar o lençol freático; – pelo bombeamento de água com carga sólida ou solúvel para rebaixamento do lençol freático nos cursos d’água; – pelo turbilhonamento de aluviões ns operação de dragagem – pelo lançamento de esgotos sanitários e óleos das oficinas.
Impacto sobre as águas 1)Interferência na dinâmica hídrica 2)Interferência na qualidade • comprometimento da disponibilidade
•Aumento dos custos
Uso impróprio ou mal planejado
•Problemas com usuários •Transgressão a lei • sólidos sedimentáveis •Turbidez
Indicadores na qualidade das águas
•Sólidos dissolvidos •pH •Outros fatores (oxigênio, oleos, graxas
Impacto sobre as águas Tabela: Impactos clássicos sobre a qualidade das águas nas diversas fases de um empreendimento mineiro. PESQUISA MINERAL Tipo Sondagem rotativa ou percussão
Causa do impacto
Parâmetro gerador
Arraste, por água pluvial, Incremento de turbidez e de partículas finas das de sólidos sedimentáveis estradas e pátios de trabalho.
Sondagem e Revolvimento e amostragem de grandes turbilhonamento de áreas volumes por dragas alagadas e leitos de curso d’água
Impacto sobre as águas LAVRA Subterrânea
Arraste de partículas finas das áreas de acesso por águas pluviais, solubilização de estéril pelo contato com o sistema ar/agua
Incremento de turbidez de sólidos sedimentáveis e de sólidos dissolvidos. (modificações de pH, incremento de metais, sulfetos, arsênio)
Desmonte hidráulico
Aporte de partículas finas por arraste pluvial e lançamento do estéril sob a forma de polpa nas coleções hídricas
Incremento de turbidez e, sólidos sedimentáveis.
Dragagem aluvionar
Revolvimento e turbilhonamento das margens e fundo das coleções hídricas, lançamento de estéril na forma de polpa
Incremento de turbidez e de sólidos sedimentáveis
A céu aberto em bancadas
Arraste de partículas finas das áreas decapeadas (mina, estradas, depósito de estéril, pilhas) por água pluvial
Incremento de turbidez e de sólidos sedimentáveis, pH e outros compostos dependem da mineralogia
Impacto sobre as águas BENEFICIAMENTO Tipo
Causa do impacto
Parâmetro gerador
Classificação, cominuição e cata manual
Carreamento do rejeito por água pluvial
Classificação, cominuição, concentração magnética e eletrostática
Lançamento de rejeitos sob a forma de polpa nos cursos d’água
Aumento da turbidez e dos sólidos sedimentáveis. Pelo tempo de contato entre o minério e água do processo pode ocorrer solubilização de minerais
Flotação e desaguamento
Lançamentos de rejeitos sob a forma de polpa nos cursos d’água com insumos químicos incorporados.
Aumento da turbidez e de sólidos sedimentáveis. Possibilidade de solubilidade de minerais. Presença na água de coletores, depressores, moduladores de pH e floculantes
Hidrometalurgia
Lançamento de extratos líquidos. Adição de insumos químicos
Incremento de sólidos dissolvidos. Presença de metais. Modificações no pH
Incremento na turbidez e nos sólidos sedimentáveis. Outros compostos dependem da mineralogia
Impacto sobre as águas Sistemas de controle de impactos 1) Sistemas de contenção de partículas
• Sistemas de drenagem • Pilhas de estéril
• Barragem de rejeitos • Monitoramento de obras
Minimizam os impactos gerados pelos efluentes e partículas sólidas na mina e unidades de beneficiamento
Impacto sobre as águas Sistemas de controle de impactos 1) Precipitação de íons
• Sistemas controle de sólidos dissolvidos 2) Adequação de pH
• Possibilidade de formação de precipitados 3) Flotação de Precipitados
• baseia-se na precipitação dos íons, com adição de compostos químicos, seguido por flotação seletiva.
Impacto sobre as águas Sistemas de controle de impactos 7) Armadilhas Metálicas
• metal tóxico fica retido em superfícies de cobre (mercúrio)
8) Tratamento Biológico
• capacidade que os microrganismos apresentam de tolerar e de
acumular grandes quantidades de metais pode ser utilizada com objetivo de remover substâncias tóxicas e de recuperar metais de grande valor econômico
Impacto sobre as águas Sistemas de controle de impactos Reciclagem e Operacionalização dos Sistemas e Programas de Manutenção de Equipamentos
•O Melhor controle ambiental, é a reciclagem de resíduos e de efluentes.
Monitoramento
Impacto sobre as águas Sistemas de controle de impactos 4) Degradação Química
• Por meio de adição de determinados reagentes
5) Adsorção por Carvão Ativado
• Remoção de metais pesados do efluente (cromo)
6) Remoção de íons por troca-iônica
Impacto sobre o ar • Poluição atmosférica – Presença na atmosfera de matérias ou energias que alteram esse recurso natural, causando danos à saúde, à segurança e ao bem- estar do homem e dos animais, prejudicando os vegetais e afetando negativamente aspectos estéticos e econômicos.
Impacto sobre o ar • Poluentes atmosféricos – Origem natural • (polens, poros, bactérias, poeiras do chão, sal marinho, gases e materiais sólidos resultantes de erupções vulcânicas, entre outros)
– Origem antrópica • os compostos de enxofre, de carbono, de nitrogênio as, substâncias radioativas, os metais pesados, o material particulado e os oxidatos fotoquímicos).
Impacto sobre o ar •
Fontes de poluição do ar mineração – Emissão de poeira nas estradas de acesso e lavra das minas. – Emissão de gases e particulados pelas chaminés das instalações de beneficiamento. – Formação e emissão de poeira por arrasto eólico nas pilhas de estéril e substâncias minerais, em caminhões e vagões, nas estradas. – Liberação de gases em minas subterrâneas. – Liberação de vapores resultantes do processo de limpeza e desengraxe de peças e máquinas por utilização de solventes e detergentes industriais nas áreas de manutenção. – Emissão de gases e partículas decorrentes da combustão de motores dos equipamentos, veículos leves e das caldeiras.
Impacto sobre o ar •
Fontes de poluição do ar mineração – Formação de poeiras e gases pela desagregação mecânica, pela ação de perfuração, escavação, britagem, peneiramento e pontos de transferência. –
Varrição seca de pátios, oficinas, depósitos e outras áreas.
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Formação e emissão de poeiras em pontos de carga e descarga.
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Ruído e vibrações do desmonte de rochas.
–
Geração de gases e odores pela combustão espontânea nas pilhas de rejeitos piritosos de carvão.
–
Queima e incineração de lixo e resíduos sólidos.
–
Geração de poeira em áreas livres sem cobertura vegetal
Impactos sobre o Ar Efeitos da poluição do ar • Saúde humana alergias, doenças crônicas • Materiais abrasão e destruição de metais • Vegetação redução da fotossíntese,
• Animais problemas respiratórios e digestivos • Condições atmosféricas redução da luminosidade
Impacto sobre o Ar Métodos de controle de poluição do ar
• Identificação dos poluidores
Área de influência
•Caracterização das fontes
Planejamento e Implantação de medidas de controle
Impacto sobre o Ar Métodos de controle de poluição do ar 1) Aspersão de água
• Em estradas (carros-pipas ou redes aspersoras fixas). • Nos processos de perfuração, peneiramento e britagem.
• Em pilhas de estéril e produtos. • Sobre correias, máquinas de empilhamento e recuperação de pilhas. • Em áreas decapeadas, enquanto não recuperada a cobertura vegetal.
Impacto sobre o Ar Métodos de controle de poluição do ar 2) Proteção contra arrastre eólico
• Cobertura vegetal de áreas decapeadas, pilhas de estéril e cava de mina. •Cobertura com revestimento plástico, lonas de algodão (veículos e pilhas).
•Aspersão de água.
Impacto sobre o Ar Métodos de controle de poluição do ar 3) Controle de detonações - Normas
• Evitar a detonação de explosivos com "peso" ou engastamento inadequados.
•Usar razão de carregamento apropriada a cada tipo de rocha. •Não adotar afastamento excessivo. •Aumentar a área de servidão em torno da jazida 4) Utilização de equipamentos despoluidores
Impacto sobre o Ar Métodos de controle de poluição do ar 5) Ação sobre fontes emissoras
• Seleção e adequação: combustível, métodos de trabalho 6) Cinturão verde
• Reduz o impacto visual • Redução da poluição 7) Coberturas de pilhas susceptíveis a combustão estantânea
Monitoramento
Impacto sobre solo Mineração Modificação do uso do solo na área da jazida Alterações na paisagem Remoção da flora deslocamento da macrofauna da área ou proximidades Modificação do perfil topográfico Instabilização das encostas
Impacto sobre solo Formas de controle preventivo Coletas de sementes de espécies vegetais formação de viveiros e posterior plantio nas áreas a recuperar Manutenção de faixas de vegetação que ligam as áreas a serem exploradas com as áreas naturais vizinhas, propiciando uma melhor movimentação da fauna do local
Estudo da possibilidade de criação em cativeiro ou outras formas de preservação das espécies animais ameaçadas Modificação do perfil topográfico Planejamento da localização utilização de áreas mais nobres
de
bota-foras
evitando
Impactos sócio-econômicos Mineração Sobre os equipamentos sociais e comunitários da região (transporte, habitação, saneamento básico, educação etc.), quer pelo efeito da atração da população e de mão-de-obra, quer pelo próprio crescimento econômico gerado pela atividade. Sobre a oferta de empregos, diretos e indiretos, da região
Na balança comercial, pela importação de bens e serviços e exportação de produtos Na melhoria do nível técnico da mão-de-obra, pela qualificação, treinamento e especialização de pessoal a ser empregado no empreendimento
Impactos sócio-econômicos Mineração Sobre o modo de vida da comunidade Sobre o patrimônio cultural Sobre a ocupação do solo
Recuperação de áreas degradadas • Manual de Recuperação de Áreas Degradadas pela Mineração ( IBAMA) • Recuperação significa, “retomar o sítio degradado a uma forma e utilização de acordo com um plano pré-estabelecido Condição estável valores ambientais, estéticos e sociais para o uso do solo”. Sítio degradado terá condições mínimas de estabelecer um novo solo e uma nova paisagem
Recuperação de áreas degradadas Recuperação processo lento
planejamento do projeto mineiro muito tempo após o término da lavra
Componentes bióticos e o ambiente equilíbrio.
•
Recuperação de áreas degradadas Diagnósticos –
Físicos como: • • • • •
–
Biológicos •
–
topografia, geologia, solos, rede hidrográfica, paisagem;
flora e fauna
Sócio-econômicos da região
Objetivos pretendidos Plano de recuperação
Recuperação de áreas degradadas Metas e objetivos
• –
A curto prazo: – – – – – –
–
A médio prazo – – – –
–
recomposição da topografia do terreno; controle da erosão do solo; re-vegetação do solo; correção dos níveis de fertilidade do solo; amenização do impacto na paisagem; controle da deposição de estéreis e rejeitos. surgimento do processo de sucessão vegetal; reestruturação das propriedades físicas e químicas do solo; ocorrência de reciclagem dos nutrientes. reaparecimento da fauna.
A longo prazo – – –
Auto-sustentação do processo de recuperação; Inter-relacionamento dinâmico entre solo-planta-animal; Utilização futura da área.
Recuperação de áreas degradadas 1) Recomposição topográfica e paisagistica Preenchimento da cava
Recomposição da topografia
Não inverter ou misturar solos estéreis com superficiais Relevo final
• Melhorias paisagísticas • Estabilizar solos e taludes • Possibilitar uso futuro pretendido
Recuperação de áreas degradadas 2) Recolocação da camada vegetal Solo superficial
Desenvolvimento da vegetação
Manejo criterioso e em operação diferenciada Espessura da camada de solo vegetal
• características geomorfológicas da região • volume disponível em cada frente
Recuperação de áreas degradadas 3) Correção das características físico–químicas do meio Solo superficial
Desenvolvimento da vegetação
Manejo criterioso e em operação diferenciada Espessura da camada de solo vegetal
• características geomorfológicas da região • volume disponível em cada frente
Recuperação de áreas degradadas 4) Preparação do solo Aração do terreno ou revolvimento
Melhor descompactação superficial
Operações de gradagem
Semeadura
Recuperação de áreas degradadas 5) Re-vegetação Re-implantação de vegetais na área Escolha da vegetação
• espécies indicadas reestruturação do solo • cobertura rápida controle da erosão • utilização futura da área • aspectos paisagísticos • espécies nativas da região da mina • espécies resistentes e tolerantes a baixos níveis de fertilidade do solo. 6) Manutenção
Recuperação de áreas degradadas Uso da área recuperada
• técnicas e práticas
• Promover a recuperação ambiental • Obtenção de um novo nível ecológico Novo uso da área
Degradar novamente
• Considerados os aspectos locais e as características de cada região
Recuperação de áreas degradadas Economia ambiental
• Procura-se ampliar o bem-estar social tendo como parâmetro a qualidade do meio ambiente. •Trata o meio ambiente como um conjunto de bens e serviços que são "consumidos" pela atividade econômica e que, portanto, devem ser tratados como recursos escassos, para que a sua utilização tenha como meta a busca de um maior benefício para a sociedade humana
• Utiliza o instrumental econômico para a definição da melhor alocação dos bens e serviços ambientais. • Trabalha-se com o conceito de externalidade, caracterizada quando a produção de uma firma ou o consumo de um indivíduo pode afetar a terceiros de forma positiva ou negativa.
Recuperação de áreas degradadas Economia ambiental
Papel do governo • Estabelecer medidas que desestimulem as atividades de produção e de consumo negativas e estimule aquelas que geram externalidades positivas. • Controle da intensidade do uso dos recursos ambientais
• Utilização de certificados de propriedade ambiental
Recuperação de áreas degradadas Economia ambiental Passivo ambiental
• Dívidas e obrigações de empresas, ou dos agentes econômicos de contraídas com a coletividade de uma determinada região. Como defini-lo ? Qual o período de tempo a ser analisado?
Quem
são
os
responsáveis
pela
existência? Quem deve pagar por este passivo? ?
sua
Recuperação de áreas degradadas Economia ambiental Passivo ambiental
• Mineração sem planejamento •Mudança da topografia original do solo; • o assoreamento e poluição dos rios; •a emissão de poeiras e outros descartes na atmosfera •Desmatamento
•Afugentamento da fauna e a produção excessiva de ruídos
Dimensões mais ou menos graves Porte e da localização
Recuperação de áreas degradadas Economia ambiental Passivo ambiental
• Garimpos • Valorização do passivo ambiental e com a definição de responsabilidades.
Recuperação de áreas degradadas Planejamento econômico e Meio Ambiente • Elementos centrais na tomada de decisões • Setor de produção (as firmas públicas e privadas) • Setor de consumo (as famílias).
Forças de mercado Preço dos bens e serviços
Objetivo •Critérios ambientais as decisões de produção e de consumo buscando a redução das externalidades negativas minimizando falhas de alocação de mercados
Recuperação de áreas degradadas Certificação As normas ISO 14001 e a ISO 14004 definem Aspecto Ambiental como “um elemento da atividade, produto e serviço de uma organização que pode interagir com o meio ambiente de forma benéfica ou adversa”.
Desenvolvimento sustentável na mineração
Necessidade de se estabelecer uma linha de conduta que possibilite conduzução suas atividades, de maneira mais eficiente e ambientalmente responsável. Significa garantir que os impactos inerentes da mineração, em qualquer de suas fases (implantação, operação e fechamento), sejam eles positivos ou negativos, produzam efeitos assimiláveis pelo ambiente
Recuperação de áreas degradadas Certificação Desenvolvimento sustentável na mineração
Significa garantir que os impactos inerentes da mineração, (implantação, operação e fechamento
Produzam efeitos assimiláveis pelo ambiente
Ouro - Impactos
Exemplos
Desmatamentos e queimadas Alteração nos aspectos qualitativos e no regime hidrológico dos cursos de água Queima de mercúrio metálico ao ar livre Desencadeamento dos processos erosivos Mortalidade da ictiofauna
Fuga de animais silvestres Poluição química provocada pelo mercúrio metálico na hidrosfera, biosfera e na atmosfera (IPT, 1992).
DEMIN/EM/UFOP Estabilidade de Escavações Subterrâneas – MIN 225 Prof José Margarida da Silva Impactos Ambientais decorrentes da redistribuição de tensões em escavações de lavra subterrânea Subsidência
Março/2009
Sumário • • • • • • • •
Introdução Tipos de impacto Tipos de subsidência Fases de subsidência contínua Subsidência Residual Mitigação do Impacto Estudos de Caso Bibliografia
Introdução A execução de escavações para a extração de minério é uma alteração no meio ambiente. A lavra subterrânea geralmente tem um menor impacto que a lavra a céu aberto, mas as aberturas subterrâneas podem: • comprometer a qualidade do maciço rochoso, os recursos hídricos;
• levar a fenômenos como a subsidência de terrenos e os golpes de terreno (“rockbursts”), entre outros impactos.
Introdução Com a tendência crescente da produção de bens minerais através da lavra subterrânea, aumenta a importância a ser dada ao impacto ambiental produzido pela mesma. Existem diversas medidas de projeto que podem limitar estes efeitos. E, sendo a mineração uma atividade essencial para a nossa própria sobrevivência, é preciso continuamente procurar harmonizá-la com a segurança.
Impactos ambientais Impactos ambientais da lavra subterrânea: • impactos no depósito mineral e rochas encaixantes, • impactos nas escavações no subsolo, • impactos na superfície do terreno. • impactos lavra subterrânea-drenagem ácida, subsidência, rock bursts.
Drenagem Ácida Lavra de materiais sulfetados - pode ocasionar formação de águas ácidas, pela oxidação dos sulfetos; estas águas devem ser tratadas e neutralizadas (aumento do pH), antes de serem lançadas ao meio ambiente. Uma das formas de mitigação: produção de ácido sulfúrico
Subsidência • Subsidência: conjunto de movimentos descendentes do maciço rochoso, dependente do tempo, em direção ao centro de uma abertura subterrânea; • deve-se principalmente à tendência das rochas de preencherem os vazios criados pelas aberturas, principalmente após o seu colapso.
• É um problema potencial que, não controlado, pode levar a um dano superficial de grande escala.
Subsidência contínua
Subsidência descontínua
Subsidência • Para que ocorra subsidência na superfície, é necessário que determinadas dimensões críticas das aberturas subterrâneas sejam ultrapassadas; • A região afetada pode ser esquematicamente relacionada a um tronco de cone invertido que se alarga do interior do maciço rochoso para a superfície. • A forma na superfície é geralmente uma elípse, com eixo maior paralelo à direção do avanço da lavra.
Subsidência contínua para camada horizontal
= ângulo de máxima influência
Perfil de subsidência A profundidade e a extensão da bacia de subsidência dependem: • da potência e do mergulho do corpo lavrado, • da profundidade e das dimensões da escavação, • dos tipos de suporte empregados, • da velocidade de avanço das frentes de lavra, • do tempo, • do condicionamento geológico presente no maciço rochoso.
Subsidência máxima e Largura crítica Peng (1992) relaciona a subsidência máxima (S), a potência do corpo (m), o fator de subsidência (a) e o ângulo da direção da abertura com a horizontal ():
S = a m cos Se cos = 0 -------------S = a m Largura crítica: wc = 1,4 h h é a profundidade de trabalho.
Fases de subsidência • Crítica
• Sub-crítica • Supercrítica
Mina de Germunde, Portugal
Mina de Kiruna (Suécia)
Subsidência (aluimento) Fato essencial: qualquer ponto na superfície pode continuar a subsidir por um tempo ao longo da extração dentro de uma área crítica abaixo deste ponto. Além da “subsidência ativa”, pode haver uma subsidência algo dependente do tempo, devido a fenômenos como a consolidação ou o comportamento visco-elástico dos estratos, que continuam a existir depois de o ponto não estar tão distante da zona de influência da face escavada (“subsidência residual”).
Há de se prever então um monitoramento dessa situação.
Detecção e Mitigação • Técnicas de detecção do fenômeno: da instalação de marcos topográficos à utilização de extensômetros, tiltímetros, inclinômetros ou sensoriamento remoto. • O custo de medidas preventivas é usualmente menor que aquele para reparar danos quando não são tomadas as devidas precauções.
MEDIDAS PARA LIMITAR EFEITOS DE SUBSIDÊNCIA Extração Parcial São deixados pilares laterais substanciais entre os painéis. Carvão, Reino Unido: pilares de largura de 30 a 100m deixados entre painéis extraídos com razão largura/profundidade menor que 1/3. Dependendo da configuração da razão de extração, podem ser alcançadas reduções da ordem de 80% na máxima subsidência.
Medidas de minimização Tratamento Preenchimento com compactação de tiras ou método hidráulico ou pneumático com sólidos, que pode reduzir a subsidência em até 50%, dependendo da natureza e duração do tratamento.
Maiores reduções são obtidas pelo preenchimento imediatamente após a lavra ou com colocação de estruturas artificiais de sustentação.
Medidas de minimização Extração Harmônica Remoção em etapas do mineral de área crítica de modo que a superfície seja rebaixada vagarosamente e deformações horizontais sejam minimizadas. A extração harmônica requer que o painel seja avançado em pelo menos duas faces mantidas a uma distância cuidadosamente calculada. Orientação da estrutura com respeito à direção de avanço da face determina por quanto tempo a proteção contra a onda superficial (longitudinal ou transversal) é a mais importante.
MÉTODOS DE PREVISÃO DO PERFIL DE SUBSIDÊNCIA CONTÍNUA Métodos gráficos; Métodos analíticos. • Existem métodos que tratam do problema inverso: • a partir de uma subsidência máxima admissível, calculam-se as dimensões máximas das aberturas a serem realizadas. • Entre os métodos numéricos, o principal é o método de elementos finitos.
Previsão de Subsidência • Métodos Empíricos Tabelas e ábacos permitem determinar a subsidência prevista em cada ponto, a partir da profundidade, largura e altura da escavação. • National Coal Board (NCB); • Funções de Perfil; • Funções de Influência. O perfil de subsidência é obtido pelo traçado de uma curva por pontos.
Previsão de Subsidência • Métodos Analíticos Assimilando-se o comportamento dos maciços rochosos a modelos físicos simplificados (elásticos, elasto-plásticos, visco-elásticos etc) e utilizando-se as respectivas teorias matemáticas.
Referências • • • • • •
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• • •
CURI, A. “Análise e Mitigação do Impacto Ambiental devido à Subsidência em Minas Subterrâneas”. Tese de Doutoramento. Universidade Técnica de Lisboa. Inst. Superior Técnico. Lisboa. 208 pp. 1995. KANJI, M. A. “Surface displacement as a consequence of excavation activities”. Proceedings fourth Congress of International Society for Rock Mechanics. ISRM, vol.3, pp. 345-368. Montreaux, 1979. MELLO MENDES, F. “Geomecânica Aplicada à Exploração Subterrânea ”. Instituto Superior Técnico. UTL. 346 pp. Lisboa, 1985. PENG, S. S. 1992. Mining Subsidence Engineering. AIME. Soc. Min., Met. Explor. EUA. 161 pp. SING, B.; SAXENA, N. C. “ Land Subsidence ”. Internacional Symposium of Land Subsidence. Central Mining Research Station. Dhanbad (Índia), 1989. VOIGTH, B.; ASCE, A. M.; PARISEAU, W. “State of Predictive Art in Subsidence Engineering”. Journal of the Soil Mechanics and Foundations Division 96. pp. 721750. March 1970. CURI, A Análise e Mitigação do Impacto Ambiental devido à Subsidência em Minas Subterrâneas. Universidade Técnica de Lisboa. Instituto Superior Técnico. (Tese de Doutorado), 208 p. 1995. JAEGER, J. C.; COOK, N. G. W. Mining and Engineering Applications. Chapman and Hall. 3 ed., p. 505-515. 1979. LINKOV, A. Rockbursts and the instability of rock masses. International Journal Rock Mechanics, Mining Sciences & Geomechanics Abstracts, v. 33, n. 7, p. 727. 1996. RIDEG, P.; EYNON, P. Controle de Subsidência no Dimensionamento de Minas. Seminário Nacional sobre Mina Subterrânea, 2. Porto Alegre, 14 p. 1982. SILVEIRA, T. Técnicas de Sustentação em Minas Subterrâneas. UFOP, p. 1-26. 1987. VANDALE, A E. Subsidence - A Real or Imaginary Problem? Mining Engineering, p.86 – 88, sep/1967.
DEMIN/EM/UFOP Estabilidade de Escavações Subterrâneas – MIN 225 março/2009 Prof José Margarida da Silva Impactos Ambientais decorrentes da redistribuição de tensões em escavações de lavra subterrânea Liberações de energia dinâmica e ejeção de rocha (Rockburts e outros)
Sumário • • • • • • •
Introdução Definição e caracterização do fenômeno Tipos de liberação Duração, intensidade Mitigação do Impacto Estudos de Caso Bibliografia
Introdução Fenômenos associados à ruptura dinâmica de maciços rochosos têm causado preocupação em minas profundas em todo o mundo. O aumento das escavações tem conseqüências como maior risco de fenômenos naturais, tornando essencial o conhecimento acerca do comportamento das rochas. As técnicas de previsão de eventos sísmicos baseiam-se na detecção e interpretação de eventos microssísmicos nos maciços.
Presença do fenômeno Sismicidade em minas Dos 5 tipos de atividade humana que podem afetar a sismicidade, três estão ligados à mineração: explosão subterrânea, lavra de pedreiras, extração de líquidos (obsis.unb.br,2009). Algumas minas começaram a enfrentar este problema, realizando trabalhos de monitoramento contínuo no entorno da mina.
Definição • À medida que as escavações subterrâneas atingem determinadas dimensões críticas, as intensidades dos novos campos de tensões que se instalam nos seus contornos podem exceder os limites de resistência da rocha, levando o maciço à cedência ou ruptura, do que resultarão deformações locais e a correspondente dissipação das mesmas.
• Fenômenos semelhantes a céu aberto (Pomeroy et al, 1976; Cook, 1976;Silveira, 1987)
Caracterização do fenômeno • Quando a dissipação (liberação) de energia armazenada num maciço rochoso se processa de maneira relativamente rápida e violenta, o fenômeno é designado, genericamente, por “explosão de rocha”. • Este fenômeno se caracteriza pela influência acentuada de ações de corte e ocorre, quando da abertura de escavações subterrâneas.
Efeito de “escorva” O “efeito de escorva” pode se originar através de:
• ondas de choque decorrentes de detonação de explosivos; • elevação de temperatura das rochas; • presença de água; • ruptura de um suporte; • explosão de gases; • execução de uma abertura; • as próprias ondas de uma outra explosão de rocha.
Explosão de rocha Ao desequilíbrio provocado localmente, pode-se seguir uma reação em cadeia, propagando-se rapidamente seus efeitos, com a deformação e fraturamento da rocha numa área de extensão apreciável e a conseqüente dissipação do excesso de energia armazenada.
Tipos de liberação - Terminologia Talebi et al., 2007: • Rockfall – queda de rocha pelo peso próprio; • Bump – ruptura violenta de rocha com muito dano; • Outburst – ejeção de rocha devido a alívio por emanação de gás; • Rockburst - ruptura violenta de rocha;
Duração e freqüência de eventos Lorig (1996): freqüências e tempos de duração típicos de energia dinâmica de interesse na mineração • Earthquakes – evento sísmico de maior duração (2 a 150s) e baixa freqüência (até 7Hz); • Blasts – ondas de desmonte, com duração pequena (até 1s) e freqüência de 5 a 150Hz; • Rockbursts- evento sísmico de duração intermediária (1 a 7s) e freqüência de 3 a 160Hz.
Sistema de microsismicidade
Magnitude de dano
Intensidade • O fenômeno é particularmente perigoso pelas características anelásticas dos maciços rochosos, que conferem ao tempo grande importância nos processos de deformação das rochas. O fenômeno é comum. • Intensidade dos efeitos: é função da deformidade da rocha, das intensidades e heterogeneidades dos campos de tensões instalados, da geometria da escavação, da velocidade de escavação, entre outros.
Previsão do fenômeno • As técnicas de previsão de ocorrência de explosões de rochas baseiam-se na detecção, medida e interpretação de eventos micro-sísmicos nos maciços, os quais que podem alertar com algumas horas de antecedência, sobre a iminência de um grande abalo.
Monitoramento • Estudo de Caso 1 - Mina Caraíba, Jaguarari (BA), cobre
• destress blasting: alterações nos padrões de furação, nos arranjos de furos, nos explosivos, carregamento e detalhes do desmonte, que implica transferência de carga para pilares adjacentes (DE LA VERGNE, 2000). • Monitoramento microsísmico (Andrade et al, 2003) - - teve, entre 500 e 800m, tensões da mesma grandeza de outras minas subterrâneas, com profundidades entre 1500 e 2000m. Surgiram desplacamentos.
Estudo de Caso - Caraíba • Após estudos, foram implementadas modificações no método de lavra, monitoramento microsísmico de superfície e de subsolo. Introdução de: • enchimento (pastefill), • monitoramento topográfico a laser, • aumento da mecanização e automação das operações. • Primeiros três meses - 2237 eventos diversos; • Desde a implantação - observados 2 eventos na escala 2 ou 3 por ano, com lançamento de material.
Monitoramento - Estudos de Caso Monitoramento de movimentação de blocos (Dinis da Gama et alii, 2002) Mina de Panasqueira, tungstênio e estanho, Portugal - realizado monitoramento (2 anos);
•
•
•
análise por método discreto da movimentação de blocos para caracterização de movimentação de volumes de maciço (subsidência) evidenciando-se magnitudes de 3m em alguns pontos, controlados por falhas principalmente, amplificadas pela percolação de águas. Calculada média estatística entre 1990 e 1998 e determinadas movimentações diferenciais entre pontos de um bloco.
Estudo de Caso (3) Mina Bellavista, Costa Rica: • movimentações de 1cm/dia levaram à suspensão dos trabalhos; • foram implantados poços de desaguamento, controle superficial da água e redistribuição da carga (peso) – E&M Journal (setembro/2007);
Referências Bibliográficas • • • • • • •
• • • • • • • •
Dinis da Gama et al. Interpretação geomecânica da subsidência na Mina de Panasqueira. 8o. Congresso Nacional de Geotecnia. Lisboa. 2002. Brady e Brown. Rock Mechanics for Underground Mining. 1985. Andrade, Santos e Silva. Minérios e Minerales, pp. 34-41. 2003. Andrade, S.; Sá, J. Desenvolvimento de galerias em condições severas de tensões. Belo Horizonte, 15 p. 2002. Engineering and Mining Journal, setembro/2007. De la Vergne, J. Hard Rock Miner’s Handbook. McIntosh, pp. 320-328. 2000. Talebi et al. Outburst monitoring using microseismic techniques in the Phallen Colliery, Canada, em www.nrcan.gc.ca, 8p.; acessada em 10/2007. Cummins & Given. Mining Engineering Handbook, p. 13-118, 1973. Kaiser, P. K. & McCreath. 1992. Rock Support in Mining and Underground Construction. Mello Mendes, F. 1985. Geomecânica Aplicada à Exploração Mineira Subterrânea. Instituto Superior Técnico de Lisboa. Obert e Duvall. 1967. Rock Mechanics and the Design of Structures in Rock, pp. 554- 611. Linkov, A. M. Rockbursts and the instability of rock masses. International Journal Rock Mechanics Mining Sciences Geomechanics Abstracts, v. 33, n. 7, p. 727. 1996. Silva, J. M. A importância do monitoramento sísmico na previsão de explosões de rocha (rock bursts) em minas subterrâneas. São Paulo. 2004. Villaescusa e Potvin. Ground Support in Mining & Underground Construction.Balkema, pp. 313-317, 359-365. 2004. Sismicidade induzida pelo homem, em ,acesso em 01/2009
DEMIN/EM/UFOP MIN 225 Estabilidade de Escavações Subterrâneas Prof. José Margarida da Silva Abril/2009
Sustentação de Escavações Subterrâneas
Sumário • • • • • • • •
Definições e terminologia Generalidades Papel do Suporte Projeto de Suporte Histórico Classificação de Estruturas Curva característica Materiais
Definições; terminologia • “escoramento” ou “sustentação” engloba uma série de técnicas que utilizam elementos de madeira, metálicos ou de concreto (armado ou não), destinados a aumentar a segurança de cavidades.
Definições; terminologia •
• •
Sistemas de escoramentos: podem ser desde simples elementos isolados (destinados a segurar blocos individualizados) até revestimentos completos da periferia dos vazios (se a rocha que os circunda é pouco coerente ou se encontra muito fraturada). Rock support: elementos externos; rock reinforcement: elementos internos.
Terminologia Estrutura
todo arranjo espacial de elementos físicos, compostos de qualquer material, capaz de resistir a esforços solicitantes em um horizonte previsto de tempo, com um dado fator de segurança e sofrendo deformação entre limites pré-determinados;
Terminologia Dimensionamento de uma estrutura: definição das dimensões elementos que a compõem, para que possam resistir aos esforços solicitantes, conhecendo-se: • os valores destes esforços, • os limites aceitáveis de deformação, • o tempo previsto de sua utilização, • o fator de segurança desejado ou considerado.
Generalidades • papel principal do suporte para os maciços rochosos (Rock Engineering): controlar as ações de peso do material descomprimido situado entre as periferias das escavações e os arcos de pressão (efeito arco). • É necessário prever um espaço suficiente entre o escoramento e o contorno inicial da escavação, para que a convergência respectiva possa ter lugar. • Ou então prever a instalação de um sistema suficientemente deformável para que possa acompanhar tal convergência.
Projeto de suporte Escolha do suporte fatores fundamentais: • custo, • comportamento do subsolo, • método de lavra a ser empregado. O principal objetivo no projeto de um suporte subterrâneo é ajudar o maciço a se autosuportar.
Custos Elementos de maior significado: • custo inicial do material - pode ser chamado de disponibilidade; • custo de fabricação - custo do equipamento e do trabalho especializado requerido; • custo de manuseio e transporte - dimensão e peso requeridos e equipamento; • custo de instalação - simplicidade, tempo e equipamento; • vida útil - manutenção, substituição e reutilização possíveis; • custo global - relacionado à resistência e à aplicação eficiente do material, sendo afetado pela dimensão da escavação e pela facilidade de manuseio.
Comportamento do maciço • •
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•
a rocha tem comportamento similar ao de um material plástico; a rocha tem comportamento similar ao de uma pilha irregular de blocos que interagem; a rocha é frágil, trinca ou expande-se devido a sua exposição ao ar ou à umidade; a rocha trinca ou explode em virtude de estar submetida a altas pressões; a rocha é auto-sustentável.
Histórico • Agricolae (1556): domínio da madeira como estrutura de sustentação em trabalhos subterrâneos. • colônia na América do Sul: minas metálicas suportadas com arcos de pedra e esteios de madeira. • 1824: desenvolvida pedra artificial (concreto). • 1912: “gunite” (precursor do concreto projetado). • Déc.20, séc XX: suportes com aço predominaram nos EUA. • Após segunda guerra: escoras hidráulicas, depois suportes auto-deslocáveis (powered supports). • Ancoragens - larga aceitação. Sistemas constituídos por combinação de tirantes, chumbadores, concreto projetado, tela, algumas vezes cambotas, em escavações civis e mineração.
Classificação de estruturas Suporte: conjunto de elementos resistentes que se empregam para controlar a deformabilidade e contrariar os fenômenos de ruptura localizada em aberturas subterrâneas. • provisórios ou definitivos; • contínuos ou descontínuos; • compressíveis ou praticamente indeformáveis (rígidos).
Exemplos de suportes descontínuos: pilares naturais, esteios, pilhas, quadros, arcos (cambotas) e, de certa forma, as ancoragens.
Suportes artificiais
Representação das grandezas intervenientes no dimensionamento dos pilares e das câmaras com base no método da área tributária (Hoek e Brown, 1980)
Revestimentos Revestimento
obra de recobrimento de zonas mais ou menos extensas da periferia das escavações, com finalidade de impedir o desprendimento de pequenos blocos de rocha e de regularizar e mesmo impermeabilizar os seus contornos.
Revestimentos Exemplos de suportes contínuos: revestimento contínuo de galeria em maciço fraturado por concreto projetado ou pré-moldados de concreto armado; pranchões de madeira (entre quadros ou arcos); concreto projetado e tela (associados a tirantes); quadros justapostos; chapas unindo quadros, com a estrutura resultante exercendo em alguns casos funções de suporte e revestimento.
Tratamento ou reforço Tratamento ou reforço: técnica de consolidação do maciço rochoso pela melhoria de sua: • resistência, • deformabilidade • e/ou impermeabilidade. Exemplos: Injeções, congelamento de terrenos e, para alguns, as ancoragens. Últimas décadas: aperfeiçoamento das ancoragens, substituição progressiva da madeira e outras técnicas ou materiais; aparecimento dos cartuchos, “cable bolt” e associação de concreto reforçado, parafuso e telas.
Aplicação de cable bolt prévio à lavra - a colocação em alargamentos de corte e enchimento na Mina Campbell (Borchier e outros, 1992 apud Hoek e outros, 1995).
Curva característica • Carga x deformação; • Comportamento estrutural do suporte: rigidez x deformabilidade. Características ideais dos suportes compressíveis • • • • •
Alta carga de montagem; Pequena deformação inicial; Alta carga de cedência; Cedência sob carga o mais constante possível; Pequena variação nas curvas características.
Curva característica ideal de uma ancoragem (Stillborg, 1994).
Materiais Principais materiais utilizados:
• • • • • •
aço, madeira, argamassas (concreto e/ou resinas sintéticas), blocos de rocha, Alvenaria ou combinações destes.
Principais critérios de seleção • • • • • • • •
resistência à tração e à compressão; incombustibilidade; adaptabilidade a perfis curvos; custo (instalação e manutenção); durabilidade; deformabilidade; possibilidade de reutilização; necessidade de mão-de-obra especializada .
Referências Bibliográficas Ayres da Silva, L. A. & Hennies, W. T. 1995. Abertura de Vias Subterrâneas. USP. Ayres da Silva, L. A; Hennies, W. T. 1988. Abertura de Vias Subterrâneas Escoramento em Vias Subterrâneas. EPUSP. 73pp. BIRON, C., ARIÔGLU, E. 1983. Design of Supports in Mines. Wiley & Sons. BRADY, B. H. G. e BROWN, E. T. 1985. Rock Mechanics for Underground Mining. London. George Allen & Unwin. Brasil Mineral, maio 1984. Carnero, L. T. C.; Fujimura, F. 1995. Mecânica de Rochas Aplicada ao Dimensionamento do Sistema de Atirantamento em Minas Subterrâneas. EPUSP, 33pp. Hoek, E. & Brown, E. T. 1980. Underground Excavations in Rock. HOEK, E.; KAISER, P. K.; BAWDEN, W. F. 1995. Support of Underground Excavations in Hard Rock. HOEK, E. T. & BROWN. 1980. Underground Excavations in Rock. IMM. London. George Allen & Wyin. KAISER, P. K. & Mc CREATH. 1992. Rock Support. Proceedings of the International Symposium on Rock Support. Balkema. Rotterdam. MENDES, F. M. 1985. Geomecânica Aplicada à Exploração Mineira Subterrânea. Instituto Superior Técnico. Lisboa. SILVEIRA, T. 1987. Técnicas de Sustentação em Minas Subterrâneas. UFOP. Ouro Preto. Silva, J. M.; Terra, K. L. M.; Lima, C. A 1998. Tendências no Atirantamento Subterrâneo. Brasil Mineral, dez/98.
SUPORTES CONTÍNUOS (REVESTIMENTOS) E TRATAMENTO (REFORÇO) DE ESCAVAÇÕES SUBTERRÂNEAS José Margarida da Silva MIN 225 Janeiro/2008
Sumário • • • • • • • •
Introdução Telas metálicas Straps Concreto Projetado (shotcrete) Concreto reforçado Injeções Congelamento de Terrenos Referências
Introdução • Suporte contínuo: empregado quando há necessidade de exercer uma ação de conjunto sobre zonas dos contornos de cavidades ou mesmo sobre a totalidade dos contornos. • Elementos resistentes fundamentais: quadros, arcos, montantes, excepcionalmente pilhas. • Entre os elementos e o terreno colocam-se convenientemente elementos secundários, que estabelecem interligação entre aqueles que promovem uma distribuição, tanto quanto possível, uniforme das solicitações.
TELAS DE ARAME • Utilizadas para suportar pequenos blocos de rocha solta ou como reforço para a projeção de concreto. • Solução muito econômica; são facilmente instaladas. • É fácil de se adaptá-las ao reforço do teto e são facilmente reparadas.
Telas em corrente • consistem de um arranjo trançado de arame; flexível e forte . • colocadas no teto de uma galeria de transporte através de tirantes. • não são as mais recomendadas para reforço da aplicação do concreto pela dificuldade de se conseguir que o cimento projetado penetre a malha trançada e elimine os bolsões de ar atrás dos elos da tela.
*
Aplicação típica da tela Aplicação da tela soldada através da colocação de um trançada (Hoek & segundo jogo de arruela e porca (Hoek & Brown, 1980). Brown, 1980).
Telas soldadas • Utilizadas para reforçar a aplicação do concreto e consistem de uma malha quadrada de arames de aço, soldados em seus pontos de interseção. • A tela danificada deve ser substituída através do corte da seção afetada e providenciando-se uma razoável superposição para assegurar a continuidade do reforço. A tela soldada tem a vantagem de não desagregar quando danificada. • vêm sendo substituídas por fibras de aço como reforço na aplicação do concreto.
Straps • opção às telas; • cintas utilizadas também em conjunto com as ancoragens. • Quando a maioria dos planos de fraqueza mergulha em uma dada direção, a resistência desta massa rochosa é muito maior na direção dos planos que em outra direção que os atravesse. • Nessas circunstâncias, podem ser um modo mais efetivo de revestimento que as telas; • são fáceis de ser instaladas, não devendo ser usadas se o tamanho de bloco é muito pequeno.
Straps (Hoek & Wood, 1988).
Revestimento de poços • • • •
Rochas auto-suportantes: anéis de concreto (1m de altura, espaçados de 4,5 a 6m), para suporte da estrutura de divisão do poço em compartimentos, bem como das suas paredes. Rochas com maior dificuldade de sustentação: menor espaçamento entre os anéis ou revestimento total. Revestimento de madeira: caiu em desuso. Espessura de um revestimento de alvenaria para um poço vertical de seção circular: d = R [K/(K-2 p)] ½ – 1
d - espessura (m) R - raio interno útil do poço (m) K - limite de resistência à compressão da alvenaria (kgf/cm 2) p - pressão da rocha (kgf/cm2)
Concreto projetado • largamente usado em obras civis e de mineração (revestimento de túneis, galerias, reservatórios, recuperação de estruturas de alvenaria etc). • Aplicação sobre a superfície a ser protegida de uma camada de argamassa ou concreto fino, através de projeção, sob alta velocidade, por meio de bombas especiais. • Kovári (2003): história do método de revestimento com concreto desde seu início e como se desenvolveu internacionalmente nos aspectos teóricos e tecnológicos.
Concreto projetado • mistura a seco (“dry-mix”) - possibilita uso de máquinas menores, mais baratas; mais adaptável às variações de condições do solo. • mistura a úmido (“wet-mix”) - menores ressaltos, menor produção de poeira, controle da relação cimento/areia, melhor controle de qualidade de materiais, mais baixos custos de manutenção, maiores taxas de produção; difícil de se trabalhar com aceleradores.
Concreto projetado Inconvenientes: • a) ressalto ou reflexão (“rebound”) - pela falta de uma dosagem adequada de água no bocal de projeção, o concreto fica muito seco e reflete-se ao ser projetado em uma superfície; • b) escorrimento (“sag”) - pela exagero de água adicionada, o concreto fica muito molhado e escorre ao ser projetado. • Diversas camadas podem ser aplicadas sucessivamente até se atingir a espessura desejada, que pode ser de 15cm ou mais; entretanto, na espessura de cada camada não se deve ultrapassar 5 cm. • Freqüentemente associado com tirantes; tirantes e telas metálicas; arcos metálicos ou reforçado com fibras de aço - > suporte e revestimento.
CONCRETO PROJETADO REFORÇADO • inclusão à mistura de fibras de vidro ou aço na faixa de 3 a 6% em peso (Hoek, 1980); 50 a 90kg/m3 (Franzén, 1992). • As fibras têm a função de conferir ao concreto resistência à tração. • Maior velocidade de execução da abertura (Zirlis et al., 2004).
• A microsílica, adicionada em quantidades de 8 a 13% em peso de cimento, pode permitir ao concreto alcançar resistência à compressão de 2 a 3 vezes a planejada.
CONCRETO PROJETADO REFORÇADO • pode ser aplicado tanto como suporte temporário como permanente, simplesmente através da mudança da espessura da camada projetada e do ajuste do espaçamento entre os parafusos, tanto em obras de mineração quanto na construção civil, nesta com a adição de polímeros. • Uso de compósitos: Gonçalves (2001) - estudo do comportamento estrutural desse material.
Ancoragens e concreto reforçado Vantagens: • boa velocidade de instalação; • flexibilidade de instalação: podem ser instalados em qualquer perfil de escavação, desde que haja espaço para operação dos equipamentos; • em caso de dano a uma porção da camada de concreto, os blocos formados por rocha e concreto podem ser mantidos no lugar através da colocação de parafusos adicionais; • a ancoragem dos tirantes pode ser qualquer (mecânica ou química, de ponta ou em coluna total).
Ancoragens e concreto reforçado • Principal limitação: necessidade de dimensões mínimas para a operação dos equipamentos.
Na maioria dos casos são utilizados cartuchos de cimento para a ancoragem, sendo utilizada ancoragem de resina quando se necessita de um suporte mais imediato.
TRATAMENTO E REFORÇO DOS MACIÇOS ROCHOSOS Introdução • técnicas de consolidação que visam melhorar as características de resistência, de deformabilidade ou de impermeabilidade dos maciços rochosos. • reforço com ancoragens, injeções, injeções sob pressão (“jet grouting”), drenagem, congelamento e pré-escavação.
• Injeções: mais de 55 anos de uso (Garshol, 2003).
INJEÇÃO DE CIMENTO • através de furos de sonda sistematicamente dispostos, produz consolidação e impermeabilização do terreno em toda a zona a ser escavada. • Aplica-se a rochas fortes e fraturadas. • Durante a injeção, a velocidade de penetração da calda de cimento na rocha diminui com o aumento da distância ao furo e assim o cimento assenta-se e começa a preencher as cavidades. • Em poços ou escavações horizontais. • Poços: 8 a 12 furos, frentes de escavações: 16 a 20. • Espessuras maiores que 12m, furação em lances de 15 a 20 m.
Injeções • Suspensões: injeções de cimento e argila e suas combinações ou misturas (materiais sólidos, em suspensão na água). É necessário que o fluido esteja em movimento para manter as partículas em suspensão. Usadas em solos e rochas relativamente permeáveis. • Soluções: injeções químicas de soluções; não sedimentam como as suspensões. Usadas em solos e rochas de baixa permeabilidade (até 0,001cm/s), nos quais as partículas sólidas das injeções de suspensão não conseguem penetrar.
IMPERMEABILIZAÇÃO QUÍMICA E OUTROS •
injeção de resina: em locais úmidos, também para preencher vazios e impermeabilizar o maciço contra a ação da água e do ar.
•
Injeções químicas, variantes do método de cimentação, com injeção prévia ou gradativa com a abertura da escavação.
•
silicato de sódio e sulfato de alumínio formando silicato de alumínio, precipitado coloidal que se desidrata sob pressão, deixando um enchimento sólido nas fissuras capilares não atingidas pela nata de cimento e recobrindo as paredes argilosas das fissuras maiores, possibilitando uma cimentação posterior; 3Na2SiO4 + Al2(SO4)3 = Al2 (SiO4)3 + 3Na2SO4
•
silicato de sódio e cloreto de cálcio, formando silicato de cálcio, insolúvel e de pega muito rápida (processo Joostem). A pega é tão rápida que a tubulação de injeção deve ser retirada à medida que o cloreto de cálcio é injetado, a fim de evitar que fique presa. A penetração atinge mais ou menos 90 cm em torno do furo e promove uma excelente vedação de poços. Processo mais oneroso. Na2SiO4 + CaCl2 = CaSiO4 + 2NaCl
Outras Injeções •
•
•
injeção de asfalto fundido pode ser mais eficiente que a do cimento, quando ocorrem fortes correntes de água. A fluidez é garantida por correntes elétricas na tubulação de injeção ou por uma camisa de vapor em torno da mesma. Aplicação considerável nos EUA; injeção de argila bentonítica - feita quando ocorrem grandes cavidades com água sob pressão, desde que nelas não haja água corrente (Europa: argila qualquer, tratada, na proporção de 80 a 90% e cimento, apenas até 10 -20% da mistura, formando-se cones de impermeabilização); injeção de produtos plásticos, resinas sintéticas, poliuretano etc. Os plásticos têm resistência à contaminação e apresentam uma habilidade de penetrar materiais com baixa permeabilidade. Injetados em estado fundido e endurecem ao se esfriarem.
Enfilagens
Esquema do Sistema de enfilagens tubulares em lances sucessivos.
Aplicação de cambotas e injeção no reforço prévio (Hoek et alii,1995).
CONGELAMENTO DE TERRENOS • congelamento da água situada nos vazios dos solos, o que melhora temporariamente as suas propriedades enquanto se executa a escavação. • aplicada a solo saturado em água. • métodos caros e considerados apenas quando há problemas técnicos sérios com as outras alternativas de que se dispõe. Alternativas principais: • método da salmoura (ou método indireto ou sistema fechado), usando uma solução salgada; • método criogênico (ou método direto ou sistema aberto), que usa dióxido de carbono líquido ou nitrogênio líquido.
Congelamento Furos de congelação comumente dispostos em círculo, a 1m da parede interior projetada para o poço, distantes 0,6 a 1,2m entre si. • método criogênico - caro; nitrogênio líquido mantém-se até cerca de – 196o C; congelamento é mais rápido.
Referências Gonçalves, F. L. O concreto projetado reforçado com fibras de aço como revestimento de túneis. USP, 163 pp. 2001. Kovári, K. History of the sprayed concrete lining method. Tunneling and Underground Space Technology, 18 (2003), p. 57–69. Franzén, T. 1992. Shotcrete for Underground Support. Rock Support in Mining and Underground Construction. Kaiser & McCreath. Balkema. Rotterdam. Garshol, K. F. Pré -excavation grouting in rock tunneling. UGC. 2003. Hoek, E., Kaiser, P. K. & Bawden, W. F. 1995. Support of Underground Excavations in Hard Rock , pp. 190-200. Hoek, E. & Wood, D. F. 1988. Rock Support. Mining Magazine, p. 282-287. Zirlis, A. C.; Pitta, C. A.; Kochen, R. Revista Engenharia, 2004, p. 563-565. Maia, J. 1980. Curso de Lavra de Minas, UFOP, pp.122-128. Hennies, W. T.; Ayres da Silva, L. A. Abertura de Vias Subterrâneas. EPUSP. 1995. Hoek, E. & Wood, D. F. 1988. Rock Support, Mining Magazine, p. 282-287. Hoek. 1992. Rock Support in Mining and Underground Construction, p. 6-9. Hoek, E. & Brown, E. T. 1980. Underground Excavations in Rock, p. 353366. Pelizza, S.; Peila, D. Soil and rock reinforcement in tunneling. Tunneling and Underground Space Technology. 1993. Vol. 8, no. 3, pp. 357-370, Pergamon Press.
DEMIN/EM/UFOP Estabilidade de Escavações Subterrâneas – MIN 225 outubro/2008 Prof José Margarida da Silva
Suportes Descontínuos (e Ancoragens)
Sumário • • • • • •
Introdução Definições Tipos de suportes Pilares Naturais Esteios (madeira, metálicos, hidráulicos) Pilhas (fogueiras, baterias, suportes automarchantes, pilares artificiais); • Ancoragens • Bibliografia
Sustentação de Escavações • Suportes descontínuos: esteios, arcos, quadros, pilares naturais ou artificiais, suportes auto-marchantes; • Revestimento: telas, concreto projetado (shotcrete); • Tratamento do maciço: ancoragens, injeções, congelamento de terreno.
Suportes descontínuos • Elementos destinados a controlar os esforços na periferia da escavação, colocados em pontos da mesma, geralmente segundo uma malha de instalação. • Esteios (pontaletes ou escoras), • Pilhas: baterias de esteios, fogueiras, pilares artificiais, suportes auto-marchantes; • Quadros (jogos) e arcos (cambotas)
Pilares naturais
Dimensionamento de pilares e das câmaras (Hoek e Brown, 1980)
Dimensionamento de pilares • um estudo relativamente novo (pouco mais de quatro décadas), com pesquisas de Salamon, Holland, Bieniawski, Peng e outros. • Abrangência lavra subterrânea: EUA – 33% da produção. • mineração do carvão - como acontece com mineração subterrânea como um todo, dificuldade de se conseguir a documentação dos casos no Brasil é grande. • Quanto maior o fator de segurança, maior a vida útil (lifetime). • Peng (2007: importa numericamente o fator de segurança, menos o valor do carregamento sobre o pilar e a resistência do pilar.
Dimensionamento de pilares Fatores na estabilidade do arranjo de pilares • Largura da escavação, largura do pilar, altura do pilar.
Outros fatores: • custo da informação (realização de ensaios), • método de lavra, • tipo de abertura (sua vida útil), • confiabilidade dos resultados (por exemplo, as condições de confinamento do corpo de prova). Diferentes expressões analíticas de resistência de pilar; todas partem da teoria da área tributária.
Esteios • Elemento de sustentação vertical entre a soleira e o teto.
• A sua natureza varia de acordo com as características necessárias. • O seu tipo vai do esteio de madeira ao esteio hidráulico regulável. • Os esteios metálicos são recuperados no fim do desmonte.
Esteios • Coluna, de seção transversal pequena, comparada com seu comprimento, solicitada à compressão axial simples; • Esteios de madeira – comportamento estrutural afetado pela variabilidade da madeira (material natural); • Esteios metálicos de atrito.
Esteios de madeira
Esteios hidráulicos • apresentam pequena dispersão das curvas características, • carga de montagem elevada, • pequena deformação antes da cedência, • cedência sob carga o mais constante possível (variações de cerca de 2tf).
Baterias de esteios
Fogueiras
Vem sendo substituídas por fogueiras flexíveis, preenchidas
Enchimento
Suporte auto-marchante
suportes hidráulicos auto-marchantes. • principais vantagens - pequena convergência, possibilitam alta produção, segurança na frente de trabalho, alta eficiência; • desvantagens - altos custos de investimento e de manutenção, necessidade de mão-de-obra qualificada, admitem pequenas variações na espessura da camada lavrada.
Suportes hidráulicos auto-marchantes
Dificuldades minas de fosfato (Tunísia) • uso e manutenção tem efetivo numeroso e mal formado, • dificuldades de comunicação, • más condições do local de trabalho -> baixa produtividade, paradas.
Lavra por longwall
Exemplos de aplicação Cambotas: Mina da Caraíba, cobre (BA) – Silva, G. E. (1993).
Sistema de suporte em mina de carvão na Espanha, lavrada por longwall. • Frente controlada por suportes hidráulicos e fogueiras de madeira. • Camada de 3,5m espessura e 30º inclinação. • Ensaios de laboratório e testes de campo foram realizados, como da chapa de apoio e de carga de penetração. • Dados trabalhados no FLAC para determinar a máxima pressão suportada, a densidade de instalação. (GONZALEZ-NICIEZA, C. et al., 2008)
QUADROS E ARCOS • Nos trabalhos subterrâneos com desenvolvimento linear (poços, galerias, rampas), a sustentação provisória descontínua é proporcionada, além dos esteios e pilhas, por quadros e arcos, que são instalados, via de regra, com seus planos situados normalmente ao eixo da escavação. • Cambotas – em túneis civis e galerias e rampas em lavras por câmaras e pilares (LAMIL), sublevel stoping (Caraíba), sublevel caving (Ipueira) e longwall.
Arco deslizante, de atrito ou TH (Yielding arch) • Arco útil para suportar efeitos de rock burst que ocorrem em minas subterrâneas e túneis. • Arco com seção em U, curvado, provido em ambas as extremidades de peças deslizantes.
Arcos deslizantes (yielding archs) • Superposição inicial de 40cm; • Aperto inicial adequado nas superposições; • Disposição das peças em função da direção preferencial de tensões; • Deslizamento e aumento da estabilidade com diminuição do comprimento total do arco.
Razão na distribuição de tensões entre quadros e arcos típicos
Ancoragens Introdução rígida (fixação) de uma barra de aço (tirante ou parafuso) ou cabo de aço, em um furo previamente executado através das camadas adjacentes à escavação, com o preenchimento ou não do espaço anular entre a barra e a parede do furo com argamassa de cimento não retrátil ou com resina. Os tirantes podem ser de teto, soleira ou de parede. Tirante; Chumbador; Cavilha. Técnicas de sustentação em escavações subterrâneas: grande evolução nos últimos anos, dada a necessidade de estruturas cada vez mais baratas, resistentes, de fácil instalação e que apresentem uma redução da área escavada.
Ancoragens Tendências mais modernas de atirantamento: • tirantes ancorados com cartuchos de cimento ou de resina; • o sistema “cable bolt”; • tirantes associados a concreto projetado e/ou tela metálica (“concreto reforçado”), exercendo, neste caso, função de suporte e revestimento. • Combinação de atirantamento e concreto reforçado método de suporte mais versátil • combinação de ancoragens (parafusos ou cabos) com “straps”.
Ancoragens (parafusos e cabos) Ancoragens internas: sistema que mais se aproxima das características ideais – • fáceis de serem instaladas, • custo relativamente baixo, • redução significativa da seção escavada, facilitando o tráfego de homens e máquinas e a ventilação. Iniciativas visando o aperfeiçoamento da técnica das ancoragens e minimização dos custos -- > diminuição do ciclo operacional e aumento da recuperação na lavra.
Curva característica ideal de uma ancoragem (Stillborg, 1994).
Ancoragens Histórico: 1872 - em Wales, na Grã-Bretanha Comportamento estrutural:
• inicialmente, agir infinitesimalmente como rígido, afim de atrair carga e, com isto, ajudar a manter a integridade do maciço rochoso. • assim que a carga sobre a ancoragem se aproxima de sua resistência à tração limite, ela deve acomodar grandes deformações sem se romper ou diminuir sua capacidade de suporte.
Tipos de Ancoragem • Coluna total • Puntual
• Mecânica • Com argamassa (cimento ou resina) • Com protensão • Sem protensão
• Parafuso: até 3,2 m • Cabos: comprimentos maiores
Principais sistemas de ancoragem ANCORAGENS INTERNAS
ANCORAGEM MECÂNICA
ANCORAGEM QUÍ MICA
Ancoragem de Ponta
Parafuso de Cunha
Ancoragem em Coluna Total
Parafuso de coquilhas
Parafuso "split set"
Parafuso "swellex"
.
Ancoragem de Ponta
Parafuso "worley"
Ancoragem com resina (ativo)
Ancoragem em Coluna Total
Ancoragem com resina (ativo/passivo)
Ancoragem com cimento (passivo)
cable bolt
Ancoragem mecânica - Parafuso de coquilhas expansíveis
- Parafusos de atrito • Split set (cavilha) • Swellex (tirante expansivo) • Worley
Diagrama do Swellex com placa de apoio (rocscience, 2007)
Split-set
TIRANTES ANCORADOS COM CARTUCHOS DE CIMENTO •
Uso de cartuchos de cimento -- > dificuldades na injeção da argamassa no furo, após colocação do tirante, no método convencional.
•
Cartucho é fornecido na forma de um pó pré-dosado à base de cimento, envolvido por uma película especial e permeável.
•
Basta submergi-lo em água pelo tempo necessário para que o cimento absorva água suficiente para formar uma argamassa tixotrópica e isenta de retração.
Limitações: • o tempo de cura é de duas horas; • a necessidade de armazenamento adequado dos cartuchos; • o tempo de estocagem dos cartuchos é limitado (6 meses).
Ancoragem com cartuchos de cimento Vantagens relativas: • capacidade de ancoragem de três a cinco vezes maior do que a ancoragem mecânica puntual do tipo “split-set”; • diâmetro do furo para instalação, no mínimo, 20% menor do que exigido pelo “split-set” (economia na furação); • instalação sem grande rigor no controle do diâmetro do furo; • barra de aço utilizada fica protegida da corrosão; • não é afetada por vibrações ou choques; • os tirantes, uma vez atingido seu tempo de cura, podem ser protendidos em caso de necessidade; • não implica alteração na rotina dos trabalhos subterrâneos.
PINOS DE MADEIRA (“DOWELS”), COM INJEÇÃO DE RESINA
Aplicados em lavra por “longwall” de carvão para estabilização das laterais ou do teto. Furos têm comprimento até 16 m e os pinos têm diâmetro de 36mm. A resina é injetada a uma pressão de 14 a 21 kgf/cm2. Permitem o corte posterior pela cortadeira, não apresentando inconveniência ao desmonte
Cable bolt Emprego de cabos como um sistema de suporte tem sido testado extensivamente nos últimos anos, mostrando ser efetivo onde métodos mais tradicionais não apresentam bons resultados. Método combina dois fatores: • a necessidade prática de comprimentos maiores de suporte; • a necessidade de se colocar um suporte, tão logo quanto possível, após a lavra ou abertura das escavações.
Cable bolt • lavra por corte e enchimento, por recalque, na lavra por subníveis, suportes de paredes de escavações em alargamentos abertos (veios estreitos) e para controle de faces de talude em minas a céu aberto. • cabos de aço, diâmetro de 5/8" a 1" e de comprimento superior a 3m, existindo casos de aplicação de cabos com mais de 20m . • Ancoragem em coluna total, com injeção, após a colocação do cabo, • graute - argamassa especial, à base de cimento, fluida, de pega rápida, autoadensável e não retrátil. • Extensão do cabo vai normalmente 3m além das áreas instáveis; • Aplicação manual ou mecanizada.
Cable bolt Vantagens: • custo relativamente baixo, mesmo se considerando o custo com brocas de perfuração; • elevada capacidade de ancoragem (superior a 17 tf, na maioria das situações); • elevada resistência à corrosão; • pode ser instalado em qualquer comprimento; • pode ser instalado em aberturas provisórias ou permanentes, estreitas e de pequenas alturas.
Métodos manuais de instalação de cabos de ancoragem
Cable bolt Cable bolt no Canadá • Início nos anos 60, incremento nos anos 80 • Vantagens: permitem suporte longo, instalação em áreas de altura limitada (até 1,8m)
• Pesquisa em 1992: • 1992 - 42 de 71 minas utilizavam furos longos (60%); 52 minas utilizavam cable bolts (70%), 62 usavam coquilhas (80%), • método mais usado long hole*; maioria da produção room and pillar • 89% das minas com procedimentos escritos, 73% com equipes específicas para cable bolt • Maioria das minas que usam cabos: produção de 1000 a 4000t/dia; 80% avaliavam a técnica como satisfatória • Custo de U$ 23 +-6,6/m (perfuração e instalação)
Cable bolt no controle da diluição • Lacourt, 2007: • Uso na lavra de veios estreitos – open stopes – Mineração Novo Astro - cabos de 4 a 8m de comprimento; • Engineering and Mining Journal, set/2007 • Mina Pyhasalmi – sublevel stoping (pilares) • O suporte no contato minério-estéril por cable bolt permitiu à mina alcançar uma diluição de apenas 4%.
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS • Biron, C.; Ariôglu, E. 1983. Design of Support in Mines. Jon Wiley and Sons. • Brady & Brown. 1985. Rock Mechanics for Underground Mining.(ou 2004). • Engineering and Mining Journal, set/2007 • Hoek, E.; Kaiser, P. K.; Bawden, W. F. Support of Underground Excavations in Hard Rock. Balkema. Rotterdam. 1995. • Hoek, E. & Wood, D. F. Rock Support. In: Mining Magazine. 1988. • Hoek, E. & Brown, E. T. Underground Excavations in Rock. London. 1980. • Jeremic, M. L. Ground Mechanics in Hard Rock Mining. 1987. • Hennies, W. T.; Ayres da Silva, L. A. Abertura de Vias Subterrâneas. EPUSP. 1995. • Silva, J. M. et alii. Tendências no atirantamento subterrâneo. Brasil Mineral, dez/1998. • Silveira, T. 1987. Técnicas de Sustentação em Minas Subterrâneas. UFOP.
Tipos de ancoragens vantagens e desvantagens relativas MIN 225 Prof José Margarida da Silva Outubro/2008
Introdução • O reforço de terreno com ancoragens tem melhorado de tal forma que, nas últimas três décadas, se tornou o método de controle mais utilizado contra a movimentação do terreno e prevenção de queda de blocos de escavações mineiras.
Ancoragem mecânica - Parafuso de ranhura e cunha - Parafuso de coquilhas expansíveis
- Parafusos de atrito • Split set (cavilha) • Swellex (tirante expansivo) • Worley
Ancoragens mecânicas • Quanto a ancoragens mecânicas, em rochas menos resistentes (mais macias), a efetividade é reduzida pelo esmagamento local da rocha.
• Ancoragens mecânicas puntuais são um método de suporte largamente utilizado, mas que vêm sendo substituídas em todos os tipos de condições de terreno pelas ancoragens em coluna total com resina ou cimento.
Parafuso de cunha Ancoragem em coluna parcial (puntual)
Desvantagens • Uso de perfuratriz percussiva; • Controle do diâmetro
Parafuso de ranhura e cunha
Parafuso de coquilhas • Ancoragem puntual • fabricada com aço com “efeito mola”, apresentando a vantagem da simplicidade de aplicação dentro da vida útil projetada. Vantagem relativa • Uso de perfuratriz rotativa; • Possibilidades: mais pontos de ancoragem, uso de injeção.
Parafuso split-set • • • •
Mais baratos e fáceis de se instalar; Suporte provisório; Capacidade de carga 4 a 5tf. vida útil de cerca de 2 anos, enquanto a ancoragem com cimento ou resina tem cerca de 20 anos. • Custo relativo - ancoragem com resina é cerca de duas vezes a ancoragem com split-set. • Não protegido da corrosão (em ambiente mais úmidos, sofre oxidação em 90 dias – Stimpson, 1998). • Mount Isa, Gwallia (Austrália), Turmalina, Santa Isabel, Lamil, Esperança e outras (Brasil)
Parafuso expansivo Swellex • suporte imediato em rocha dura; • comprimentos disponíveis de 1,2 a 1,8m, • capacidade de carga até 10tf, com 50cm de coluna; • vantagem relativa ao split set - pode ser prétensionado (trabalhar como suporte ativo); • comparação com parafuso com resina - mais caro no custo de aquisição, mais barato no custo global, pois diminui o ciclo operacional, • não é afetado pela pressão d’água (que pode retirar a resina), mas necessita de rigor no diâmetro do furo como o de resina.
Parafuso expansivo Utilização Crixás (AngloGold, ouro, GO), Baltar (Votorantim, calcário, SP), Ipueira (Ferbasa, cromita, BA), Urucum (RDM, manganês, MS), Morro da Fumaça (Nitroquímica, fluorita, PR), testes em Criciúma (SC - minas de carvão), Morro Agudo (Paracatu, zinco, MG) no Brasil, Kemi (Finlândia), Cayeli (Turquia).
Parafuso expansivo • • • • •
Aplicável com telas; instalação em menos de 1min, tempo de cura nulo; alongamento possível de até 30%; pressão da água de injeção de 30 a 40MPa.
Atirantamento com Swellex
Instalação: Swellex instalado dentro do padrão, ou seja, expandiu totalmente dentro do furo, instalado perpendicular às paredes da galeria e chapa totalmente em contato com a rocha.
Parafuso expansivo (2) Hydrabolt • apresenta capacidade de carga na faixa de 7 a 11tf; • diâmetros usuais são 16, 17, 19, 21 e 25mm; • instalação é feita com equipamento próprio da mina, ganhando-se em rapidez; • disponível em comprimentos de 1,5 a 4m.
Parafusos de atrito Pena (2006) comparou custo de tirantes mecânicos por atrito na Mina São Bento (ouro, Santa Bárbara - MG): • Split-set custa U$2/unidade, o Swellex, U$15/unidade. • A mina utilizava o Split-set como suporte provisório e o Swellex de 1,8m de comprimento, na faixa de 6.000 unidades instaladas/mês. • Perseverance (Austrália) – friction bolts.
Preparação do arranjo de suporte
Ancoragem Química • As ancoragens com cartuchos à base de cimento e de resina representam hoje uma ferramenta extremamente útil na difícil tarefa de estabilizar aberturas subterrâneas, sendo uma solução moderna, com consideráveis vantagens técnicas e econômicas sobre os sistemas mecânicos de ancoragem.
• O sistema “cable bolt” tem sido bastante utilizado nas minerações brasileiras, cumprindo com eficiência a função de sustentação do maciço, estabilizando um volume de rocha superior aos demais métodos devido ao comprimento dos cabos utilizados.
Ancoragem Química • • • •
Em cartuchos ou com injeção; Cimento ou resina sintética; Ativos ou passivos; Barra ou cabo.
Vantagens: • proteção contra corrosão, • maiores possibilidades de capacidade de carga, • protensão e ancoragem em coluna total
Ancoragem com cartuchos de cimento Vantagens relativas: • para uma mesma rocha e mesmo comprimento, capacidade de ancoragem de três a cinco vezes maior do que a ancoragem mecânica puntual do tipo “split-set”; • diâmetro do furo para instalação é, no mínimo, 20% menor do que o exigido pelo “split-set”, o que representa uma grande economia na furação; • instalação sem grande rigor no controle do diâmetro do furo; • barra de aço utilizada fica permanentemente protegida da corrosão; • a ancoragem não é afetada por vibrações ou choques; • os tirantes, uma vez atingido seu tempo de cura, podem ser protendidos em caso de necessidade; • não implica nenhuma alteração na rotina dos trabalhos subterrâneos.
TIRANTES ANCORADOS COM CARTUCHOS DE CIMENTO Limitações: • o tempo de cura é de duas horas; • a necessidade de armazenamento adequado dos cartuchos;
• o tempo de estocagem dos cartuchos é limitado (6 meses).
Cartuchos de resina • Maior capacidade de carga e maior custo relativamente ao cimento; • Os cartuchos estão disponíveis em comprimento de 10 a 50cm. • A protensão com resina é dada entre o tempo de pega (1 a 3min) e o tempo de cura (12min). • São também utilizados em poços principais. • Svea Nord (Noruega) - Parafusos resina 2,4m.
Cable bolt Vantagens: • custo relativamente baixo, mesmo se considerando o custo com brocas de perfuração; • elevada capacidade de ancoragem (superior a 17 tf, na maioria das situações); • elevada resistência à corrosão; • pode ser instalado em qualquer comprimento; • pode ser instalado em aberturas provisórias ou permanentes, estreitas e de pequenas alturas.
Utilizacao de cable bolt Exemplos • Baltar (Brasil)- calcario • Crixas, Fazenda Brasileiro, Santa Isabel, Turmalina e Cuiaba (Brasil) – ouro • Santa Helena (Brasil) - zinco • Mount Isa, Perseverance, Springvale (Australia) • Beaconsfield (Australia) - em paredes • Golden Giant, Kidd Creek, Brunswick (Canada) • Cayeli (Turquia) • Kittila, Pyhasalmi (Finlândia) • Kristineberg, Malmberget (Suécia) • Michilla (Chile) • Svea Nord (Noruega) • Tsumeb (Namíbia) • Novo Astro, Raposos, São Bento (Brasil) – já exauridas
Cabos com straps
Cable bolt • Couto (2002) realça a durabilidade, a capacidade e a flexibilidade desse sistema utilizado na Minha do Moinho, em Portugal na rampa principal, em malhas de 1,2m x 1,2m a 2m x 2m. • Tensionador: capacidade de carga até 220kN (dsiminingproducts. com, 2008)
Atirantamento Frota: 01 Boltec 335 – Atlas Copco 01 Boltec MC – Atlas Copco Dados: Diâmetro de Perfuração – 37mm Diâmetro do Tirante – 1” Comprimento – 3,20m Carga de ruptura – 25t (Resina) - 10t (Expansível)
Cabeamento Frota: 1 Cabolt – SANDVIK Dados: Diâmetro de Perf . – 51mm Diâmetro do cabo – 7/8” Traço – 0,3 (W/C) Carga de ruptura – 26t
Exemplo de sustentacao Escavacao subterranea civil • Tuns Park (Sidney, Australia) – estocagem subterranea em cavernas • Em 734 m de tunel, 3.000 tirantes, 3500m2 de tela, 20 quadros de aco • (Gee e Wille, World Tunnelling, 2000)
Monitoramento de cable bolt A unidade de monitoramento para instalação na ancoragem com cabo compreende: • um tubo projetado para se ajustar no furo realizado que tem um colar em uma extremidade, • um cabo adaptado para o preenchimento com argamassa no centro do tubo, • uma placa de base colocada firmemente contra o colar do tubo adjacente à face da rocha, • uma luva centralizadora do cabo dentro da placa e tubo, • uma placa de medição alongada que tem um furo central para inserção do cabo para firmar contra a placa e um corte em ranhura situado a igual distância de cada lado para permitir que a placa de medição gire se a rocha se mover em relação ao cabo, • uma braçadeira para fixação da placa de medição na placa de base. (Freepatentsonline.com.br, 2008)
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
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Referencias •
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Monitoramento de maciços rochosos atirantados
MIN 225 Prof José Margarida da Silva Maio/2009
Sumário • • • •
Conceitos Básicos Objetivos e premissas Monitoramento de tirantes Monitoramento de deslocamentos no maciço • Estudos de Caso • Referências
Conceitos O que pode ser monitorado numa mina subterrânea: • ruptura da rocha no contorno da escavação; • movimento ao longo de uma descontinuidade; • deslocamento relativo entre dois pontos no contorno da escavação (convergência); • deslocamentos no interior do maciço, fora do contorno da escavação; • deslocamentos da superfície (subsidência); • mudança da inclinação de um furo (desvio); • nível de água, pressões neutras; • mudanças (variações) de tensões (num pilar, por exemplo); • pressões normais e de água no enchimento; • deformação do material de enchimento; • eventos sísmicos; velocidades de propagação de ondas.
Conceitos • registro contínuo ou periódico de grandezas físicas importantes à verificação da estabilidade das cavidades subterrâneas -> medição -> instrumentação • parte fundamental do dimensionamento racional de uma malha de atirantamento; • aferição e otimização do modelo proposto, • detecção de problemas no comportamento das ancoragens, • defeitos de instalação, • controle de qualidade dos materiais utilizados.
Projeto de monitoramento Fatores no projeto de monitoração • conhecimento geológico detalhado dos locais instrumentados, associado ao conhecimento da geologia regional do maciço. • simplicidade dos instrumentos empregados, tanto no que tange à operação quanto à manutenção dos mesmos. • minimização de sua interferência com as frentes de produção, para que não haja um aumento inaceitável dos custos operacionais.
Projeto de monitoramento Características de um sistema de monitoração: • facilidade de instalação; • adequada sensitividade, • reproducibilidade; • robustez, durabilidade; • facilidade de leitura; • mínima interferência com operações de produção.
Sistema de monitoramento Componentes de um sistema de monitoração: • unidade de leitura (conversão dos dados para uma forma possível de utilização); • sensor (mudanças na variável monitorada); • sistema transmissor (transmissão da saída do sensor para a unidade de leitura - hastes, cabos elétricos, entre outros).
Fases: a detecção, a transmissão e a leitura.
Modos de ruptura Norma ABNT • NB 565/77 – aceitação, qualidade, desempenho
Monitoramento • Das ancoragens • Do maciço
• Na barra; • No contato barra – argamassa; • No contato argamassa-rocha. (Benmokrane, 1986)
MONITORAÇÃO DAS ANCORAGENS • testes de perfurabilidade da rocha, • arrancamento da ancoragem (pull test), • controle de carga dos tirantes ao longo do tempo. PERFURABILIDADE • posição e direção dos furos deve corresponder exatamente à posição prevista no plano de atirantamento. • O comprimento e o diâmetro do furo deverão estar rigorosamente dentro das especificações.
Arrancamento (Pull test) • medição da resistência da ancoragem, através de teste em que o deslocamento do dispositivo de ancoragem é medido como função da carga aplicada ao tirante; resulta na obtenção de uma curva carga – deslocamento; • número mínimo de cinco testes para um mesmo maciço e condições de instalação específicas; • testes são destrutivos.
Teste: arrancamento de tirante (pull test)
Macaco Hidráulico
Operador da bomba.
Operador acionando a bomba do macaco hidráulico. São testados 3% dos tirantes instalados.
(Votorantim)
Teste de arrancamento • Aplicação de cargas crescentes ao tirante, medindo-se as correspondentes deformações, até que a carga produza um deslocamento maior que 40mm ou o escoamento ou ruptura da haste. • Leituras de carga e deslocamento em incrementos de 500 kgf ou 5mm de deslocamento (o que ocorrer primeiro); • velocidade de aplicação de carga na faixa de 500 - 1000Kgf/min.
Perda de Protensão Queda de protensão é conseqüência de vários fenômenos, como: • escorregamento do dispositivo de ancoragem (ocasionado por ancoragem mecânica puntual em rochas brandas, vibrações causadas pelo desmonte, fluência da rocha, corrosão, entre outros); • instalação inadequada. Monitoração da tração deve ser em cerca de um tirante em cada 10 do sistema de sustentação.
Células de carga Equipamento: • célula de carga. • As células de carga podem ser mecânicas, eletromecânica, elétricas, fotoelásticas. • Medem deformação e transformam em saída de tensão.
Perda de Protensão • Uma leitura deve ser feita imediatamente após a instalação e algumas horas depois. • Nas vizinhanças de uma face de desmonte as leituras devem ser feitas em intervalos de horas. • Em outros casos onde a variação é pequena (“áreas inativas”), as leituras devem ser feitas em intervalos da ordem de dias ou meses.
MONITORAÇÃO DO MACIÇO • avaliação do sistema de suporte (atirantamento) como um todo; • os deslocamentos medidos devem apresentar tendência de estabilização com o tempo; • medições de deformações são mais fáceis e mais baratas.
Convergência • instalação de pinos em pontos selecionados no piso, teto e paredes laterais da galeria. • Cada par de pinos, diametralmente opostos, constitui uma base de medição; • Fio ínvar ou alongâmetro
Extensometria Extensômetro (strain gauge): transdutor capaz de medir deformações de corpos. Quando um material é deformado, sua resistência elétrica é alterada, a fração de mudança na resistência é proporcional a fração de mudança no comprimento do material. • Se temos um fio metálico de resistência R e o mesmo sofre uma deformação ΔR então a resistência muda de um fator G vezes a deformação, onde G é chamado de fator de medida. • Para metais esse valor é de aproximadamente 2, enquanto para semicondutores chega a 100. • Vários modelos construtivos, dependendo da aplicação.
Extensometria • medição do deslocamento relativo entre um ponto no interior do maciço e um ponto no perímetro escavado; • aplicação de extensômetros simples ou múltiplos.
•
Extensômetros Extensômetros Simples e de Duas Hastes são instrumentos resistentes, simples e confiáveis, utilizados para monitorar deformações na superfície de rochas, ou em trabalhos subterrâneos. Os dois modelos funcionam de modo similar. O modelo com duas ancoragens permite a distinção entre movimentos perigosos, profundos e os superficiais, geralmente mais triviais.
Extensômetro elétrico • filme metálico (resistor), com a função de microresistência elétrica, montados em uma película de material eletricamente isolante (Polímero).
• Sensor, firmemente aderido à superfície de um corpo, acompanha as micro deformações ocorridas, acusando-as através das variações de resistência elétrica do filme metálico. • Deformações ocorridas na superfície do corpo de prova são muito pequenas - > variações de resistência elétrica dos extensômetros também serão muito pequenas.
Extensômetro Elétrico • Para contornar o problema da leitura de pequenas variações na resistência elétrica dos extensômetros, os aparelhos de leitura utilizam Ponte de Wheatstone (basicamente possui quatro resistores, sendo ligados em série dois a dois e posteriormente ligados em paralelo). • Fazendo-se a conexão do extensômetro na Ponte de Wheatstone pode-se medir com grande precisão pequenas variações em sua resistência elétrica.
Exemplos de Monitoramento • Mina LAMIL – Seções de convergência e extensômetros ao longo de galerias e pilares; • Mina Baltar – Votorantim (SP): extensômetros;
• Mina Santa Isabel – medidas com extensômetros 15/15 dias; • Mina de Cuiabá – Sabará (MG): extensômetros – “protocolo geomecânico”;
Exemplos de Monitoramento Teste de arrancamento (tirantes e cabos), Mina do Moinho, Portugal Couto (2002): determinação da capacidade de ancoragem de tirantes instalados nos locais mais críticos. • Suportes instalados na rampa principal, malha de 1,2m x 1,2m a 2m x 2m. Cabos 2,5-3m comprimento, diâmetro 17mm, trecho de ancoragem 1,5m. • Norma da ISRM – Suggested Methods (2001); equipamento original modificado para permitir ensaio de cabos e para qualquer inclinação.
Teste de arrancamento na Mina do Moinho, Portugal • Valores ensaiados se aproximaram bastante do valor teórico calculado para carga de ruptura. • O elemento mais fraco foi o cabo, carga de ruptura de 123kN a 148kN e carga de cedência de 120 a 137kN. Fator de segurança 3,1. • Conjunto resina/tirante – carga na faixa de 38 a 50kN, abaixo do esperado.
Exemplos de Monitoramento • Mina Panasqueira, tungstênio (wolfrâmio), Portugal monitoramento durante 2 anos, análise por método discreto da movimentação de blocos para caracterização de movimentação de volumes de maciço (subsidência), evidenciando-se magnitudes de 3m em alguns pontos, controlados por falhas principalmente, ampliadas pela percolação de águas. • San Juan (EUA) – longwall 170 células de carga (18 em cabos), 16 extensômetros, 45 estações de convergência; 90% sucesso (www.agapito.com, 24/04/2008)
Estudo de Caso Mineração Caraíba, Jaguarari (BA) • Destress blasting; • monitoramento microsísmico de superfície e de subsolo, • introdução de enchimento, • monitoramento topográfico a laser, • aumento da mecanização; • automação das operações. • Nos primeiros três meses de observação, foram detectados 2237 eventos diversos;
Estudo de Caso • monitoramento de deslocamentos (hundimiento) na Mina Palabora (Chile) • a mina, lavrada por block caving, teve em 2004 deslizamento de 60t de material. • Através de levantamentos por satélite e confecção de mapas de deformação, foram detectados deslocamentos de 5cm em 24 dias. • Com a estabilização de falha na parede norte da mina, esses valores foram diminuídos para 2cm/24 dias (Equipo Minero, 2006).
Estudo de caso Bellavista Mine • detectadas movimentações no maciço da ordem de 1cm/dia. • As medidas tomadas foram a suspensão da operação nos poços de desaguamento, o controle superficial e a redistribuição da carga.
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS • • • • •
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Aula
Interação Maciço – Suporte
Introdução A interação entre maciço e estrutura visa analisar em termos de tensão e deformação o comportamento do sistema.
Esse comportamento é definido pelas leis e critérios de resistência dos materiais. A dificuldade dessa análise se dá pela diferença de material a analisar, relação tensão e deformação e critérios de suporte.
Introdução A interação maciço-suporte é altamente dependente da rigidez relativa do sistema maciço-suporte ( flexão e compressão ). A flexão e a compressão devem ser equilibradas para atender as condições de resistência do suporte e as máximas deformações permitidas na escavação, que dependem da função e tempo de vida útil da mesma. A análise poderá influenciar na forma e no sistema de suporte da escavação.
Análise • Vamos analisar o comportamento da deformação e pressão de suporte num túnel: • Supondo um túnel circular de raio ro, sujeito à tensões hidrostáticas e uma pressão de suporte interna uniforme pi. A ruptura do maciço rochoso ao redor do túnel ocorre quando a pressão interna é menor do que um valor crítico de pressão do suporte pcr, definido pela equação
2 po cm pcr 1 k
Onde, po – pressão inicial no suporte; σcm – resistência do maciço rochoso = (2c.cosΦ/1-senΦ) k - relação das tensões = (1+senΦ)/(1-senΦ)
Análise • Se a pressão do suporte pi for maior que a pressão de suporte crítica pcr, não ocorrerá a ruptura. E o comportamento do maciço ao redor do túnel será elástico. Desta forma o deslocamento radial da parede do túnel será dado por:
ro 1 uie x po pi E
Análise • Quando a pressão de suporte interna pi, for menor que a pressão de suporte crítica pcr, irá ocorrer a ruptura e o raio rp da zona plástica ao redor do túnel e dado por:
2 po k 1 cm rp ro 1 k k 1 pi cm
1 k 1
Análise • O deslocamento radial total da parede do túnel é dado por:
rp ro 1 21 po pcr uip r E o
1 2 po pi 2
Análise • Vamos analisar agora as características da deformação do maciço do túnel com a aplicação do suporte. • Em algumas estruturas rochosas complexas, a rigidez e o tempo de instalação do reforço tornam-se importantes e devem ser compatíveis com a resposta do maciço rochoso ou seja, com a curva de reação do maciço.
Análise • Se os tirantes são instalados após a relaxação ocorrer e os tirantes não forem suficientemente rígidos, deformações plásticas no maciço podem continuar a ocorrer, resultando em ineficácia do atirantamento.
Princípio básico • O tirante é um componente que serve para evitar a progressão de deformações no maciço rochoso, quando este sofre uma mudança do seu estado de repouso, ou seja, como por exemplo trabalhos de escavação para abertura de galerias.
Exemplo Prático:Mina de Ouro •
Visando revisar e auditar os critérios de contenção atualmente em execução, foi elaborado, para efeito inicial de comparação, uma nova classificação geomecânica específica para a mina de ouro, levando em consideração os principais parâmetros referentes a estabilidade do maciço rochoso, que foram obtidos através da descrição de testemunhos de sondagem, observações e mapeamento de campo e retroanálises dos critérios de contenção anteriormente aplicadas. Paralelamente, foram também utilizados os sistemas de classificação de maciços rochosos, mundialmente conhecidos como Q de Barton e RMR de Bieniawski, no intuito de dar maior confiabilidade à classificação específica.
Exemplo Prático:Mina de Ouro •
Foram levados em consideração os seguintes parâmetros: Grau de alteração; Resistência a compressão uniaxial; Presença de água; Grau de fraturamento( fragmentação dos blocos; Famílias de descontinuidades; Evidências de tensão atuantes; Padrão estrutural das litologias; Persistência das descontinuidades; Condições das paredes das descontinuidades; Presença de zonas de cisalhamento (veios de quartzo e foliação milonítica muito desenvolvida).
Exemplo Prático:Mina de Ouro • Com base na descrição de furos e observações de campo, foi verificado que o maciço rochoso pode ser dividido, em classes, da seguinte maneira:
Classe I Classe II Classe III Classe IV Classe V
— Formação ferrífera/minério; — X2(clorita xisto, meta andesito); — X1 (filito grafitoso/xisto grafitoso); — X2 muito fraturado; — X1 muito fraturado;
Método – RMR de Bieniawski • CLASSIFICAÇÃO GEOMECÂNICA SEGUNDO O RMR DE BIENIAWSKI
• Na aplicação desse sistema de classificação, o maciço rochoso é dividido em regiões estruturais distintas e cada região é classificada separadamente. As fronteiras dessas regiões estruturais normalmente coincidem com uma feição estrutural principal, tipo uma falha ou uma mudança de litologia. Em alguns casos, mudanças significativas no espaçamento das descontinuidades ou outras características, dentro da mesma litologia pode requerer uma subdivisão.
Método – RMR de Bieniawski •
DEFINIÇÃO DOS ÍNDICES:
• - RESISTÊNCIA À COMPRESSÃO UNIAXIAL: - Formação ferrífera/minério = I8OMPa - X1 = 56MPa - X2 = 96MPa - X1 muito fraturado = 56MPa - X2 muito fraturado = 96Mpa • - RQD: - Formação ferrífera/minério = 95% - X1 =80% - X2 = 85% - X1 muito fraturado = 20% - X2 muito fraturado = 20% - ESPAÇAMENTO DAS DESCONTINUIDADES: - Formação ferrífera/minério = 0,2m a 0,6m - X1 = 0,2m a 0,6m - X2 = 0,2m a 0,6m - X1 muito fraturado = 0,06m a 0,2m - X2 muito fraturado = 006m a 02m
índice = 12 índice = 7 índice = 7 índice = 7 índice = 7 índice = 20 índice = 17 índice = 17 índice = 3 índice = 3
índice = 10 índice = 10 índice = 10 índice = 8 índice = 8
Método – RMR de Bieniawski • - CONDIÇÕES DAS DESCONTINUIDADES: - Formação ferrífera/minério: Persistência: > 20m índice = 0 Separação: não há índice = 6 Rugosidade: rugosa índice = 5 índice total = 22 Preenchimento: não há índice = 6 Alteração: levemente alterada - índice = 5 - Xl = superfície estriada e espelhada índice = 10 - X2: Persistência: > 20míndice = 0 Separação: não há índice = 6 Rugosidade: estriada índice = 0 índice total = 17 Preenchimento: não há índice = 6 Alteração: levemente alterada - índice = 5 - Xl muito fraturado = superfície estriada e espelhada - índice = 10 - X2 muito fraturado: Persistência: > 20m índice = 0 Separação: não há índice = 6 Rugosidade: estriada índice = 0 índice total = 17 Preenchimento: não há índice = 6 Alteração: levemente alterada - índice = 5
Método – RMR de Bieniawski • - CONDIÇÕES DE ÁGUA NO MACIÇO • • -
•
- Todo o maciço rochoso encontra-se seco, com umidade apenas local índice = 15 para todas as classes. - ORIENTAÇÃO DAS DESCONTINUIDADES: Formação ferrífera = direção subparalela ao eixo da galeria com mergulho médio de 300: condição medianamente favorável - índice = -5 X1 = direção subparalela ao eixo da galeria com mergulho médio de 30°: condição medianamente favorável - índice = -5 X2 = direção subparalela ao eixo da galeria com mergulho médio de 30°: condição medianamente favorável -> índice = -5 X2 fraturado = direção subparalela ao eixo da galeria com mergulho médio de 30°: condição medianamente favorável -* índice = -5 Qbs: Os índices acima foram obtídos considerando a pior e mais comum situação, de acordo com o Iay out da mina.
Método – RMR de Bieniawski • RESULTADOS • Em função dos parâmetros obtidos acima, tem-se: - Formação ferrífera/minério: RMR = 74 (maciço classe II = rocha boa) - X1: RMR= 54 (maciço classe III = rocha regular) - X2: RMR = 61 (maciço classe III = rocha regular / boa) - X1 fraturado: RMR = 38 (maciço classe IV rocha pobre) - X2 fraturado: RMR = 45 (maciço classe III = rocha
regular)
pobre /
Método – RMR de Bieniawski • UTILIZAÇÃO
DO SOFTWARE MRMR DESENVOLVIDO POR LAUBSHER, PARA CÁLCULO DO RMR
Para se verificar a coerência dos valores de RMR encontrados acima, foi utilizado o software MRMR para as seguintes litologias: Formação ferrífera/minério, X1 e X2. Os resultados obtidos mostraram valores de RMR muito próximos, consequentemente coerentes, com os valores encontrados acima, através do método convencional, conforme veremos a seguir.
Método – RMR de Bieniawski •
CONTENÇÃO SUGERIDA SEGUNDO O SISTEMA RMR
De acordo com a tabela a seguir que associa as contenções à qualidade do maciço rochoso para uma escavação de 10m de vão, tem-se: - Para RMR = 74 (Formação ferrífera/minério), a contenção sugerida é de tirantes localizados no teto com 3m de comprimento, espaçados 2,5m, com telamento ocasionalmente, mais 5cm de concreto projetado, no teto, onde requerido. - Para RMR = 54 (X1), atirantamento sistemático com 4m de comprimento, espaçados de 1,5m a 2,0m no teto e nas paredes, com telamento no teto mais 5cm a 10cm de concreto projetado no teto e 3cm nas laterais.
Método – RMR de Bieniawski - Para RMR = 61 (X2), verifica-se que o maciço encontra-se no limite entre rocha de boa qualidade e rocha de qualidade regular. Neste caso, o método sugere que a contenção seja feita considerando o maciço de melhor qualidade, que é igual à sugenda para a formação ferrífera/minério. Caso seja observado após, que a contenção inicialmente aplicada, não está sendo eficiente, deve-se aplicar a contenção sugenda para o maciço rochoso com RMR menor que 61, igual ao recomendado para o X1. - Para RMR = 38 (X1 fraturado), a contenção sugerida é atirantamento sistemático de 4m a 5m de comprimento, espaçados de 1 m a 1 ,5m no teto e nas paredes, com tela metlica. Aplicação de 10cm a 15cm de concreto projetado no teto e 10cm nas laterais. Instalar cambotas leves espaçadas de 1 ,5m onde requerido. - Para RMR = 45 (X2 fraturado), é sugerido a instalação de atirantamento sistemático de 4m de comprimento, espaçados de 1 ,5m a 2,0m no teto e nas paredes, com telamento no teto mais 5cm a 10cm de concreto projetado e 3cm nas laterais.
O gráfico representa a relação da pressão de suporte e o deslocamento radial da parede do túnel
Princípio básico
Método – RMR de Bieniawski • RESULTADOS • Em função dos parâmetros obtidos acima, tem-se: - Formação ferrífera/minério: RMR = 74 (maciço classe II = rocha boa) - X1: RMR= 54 (maciço classe III = rocha regular) - X2: RMR = 61 (maciço classe III = rocha regular / boa) - X1 fraturado: RMR = 38 (maciço classe IV rocha pobre) - X2 fraturado: RMR = 45 (maciço classe III = rocha pobre / regular)
de Ouro