APLICABILIDADE DO MÉTODO DE LAVRA “LONGWALL TOP COAL CAVING” NAS JAZIDAS DE CARVÃO NA REGIÃO SUL

DO BRASIL

Jacopo Seccatore, Tatiane Marin, Giorgio De Tomi Departamento de Engenharia de Minas e de Petróleo, Escola Politécnica, Universidade de São Paulo

Av. Prof. Mello Moraes, 2373, São Paulo E-mail: jacopo.seccatore@gmail.com

RESUMO

O método de lavra Longwall é uma técnica com eficiência comprovada para a mineração subterrânea de jazidas de carvão sub-horizontais. No entanto, a altura de lavra é limitada tecnicamente pelo padrão do tamanho dos equipamentos de corte, devido ao alto custo dos tambores de corte e suportes hidráulicos de maior porte. Nos corpos de minério mais espessos, o volume acima do limite dos equipamentos não é retirado, ficando retido na mina. Contrapondo este problema, o método Longwall Top Coal Caving (LTCC) é utilizado como um meio eficiente de mineração de jazidas de carvão com espessura elevada. Esta é uma tecnologia desenvolvida originalmente na China, com mais de 20 anos de aplicação em cerca de 100 frentes sob diferentes condições operacionais. A técnica LTCC emprega escavação por corte tradicional na porção inferior da jazida de carvão, acompanhada da recuperação do mineral colapsado do teto da jazida, pela parte posterior do suporte. A aplicação desta tecnologia no Brasil depende das características geológicas dos depósitos. O presente trabalho visa analisar a aplicabilidade do método LTCC para os principais depósitos de carvão na Região Sul do Brasil bem como o potêncial de recuperação desse recurso mineral. PALAVRAS-CHAVE: Longwall Top Coal Caving, Carvão, Região Sul

1. INTRODUÇÃO

O método de lavra Longwall (LWM) é uma técnica de eficiência comprovada para a lavra subterrânea de jazidas de carvão sub-horizontais. A produtividade do LWM é superior aos outros métodos de lavra subterrânea de carvão (EIA, 2009).

Figura 1. Produtividade padrão em minas de carvão por método de lavra.

Fonte dos dados: EIA, 2009

A grande desvantagem do Longwall é a altura de lavra, que é limitada pelo equipamento de corte. Atualmente a altura técnica limite dos suportes hidráulicos e dos tambores é de 6 m, nos corpos de minério mais espessos que 6 metros, o volume acima desse limite não é lavrado sendo abandonado. Além disso, jazidas com espessura acima de 4 ou 5 metros são lavradas geralmente apenas até a altura limite técnica dos equipamentos de corte padrão (entre 3 ou 4 m), devido aos problemas de estabilidade da frente e ao alto custo dos maiores cortadores e suportes hidráulicos (Hebblewhite e Cai, 2004). Para aumentar a recuperação do carvão das jazidas com espessura maior que 4 metros foi desenvolvido na China o método de lavra Longwall Top Caving (LTCC). A técnica é aplicada há mais de 20 anos e atualmente é empregada em mais de 100 frentes de lavvra em diferentes condições de mineração (Humphries e Poulsen, 2008). Alguns estudos de viabilidade, na Austrália, foram conduzidos por Hebblewhite e Cai (2004), Humpries e Poulsen (2008), Alehossein e Poulsen (2010). De acordo com Hebblewhite e Cai, os maiores vantagens do LTCC são:

2,50

2,10

4,05

0,00 1,00 2,00 3,00 4,00 5,00

Produtividade padrão (Toneladas Curtas produzidas por trabalhador por hora)

Longwall

Convencional e outros

Continuous Miner

Redução dos custos operacionais, permitindo duplicar (potêncialmente) o material recuperado por unidade de comprimento de galeria de acesso (por material produzido / com aumento da recuperação de lavra);

Recuperação de recursos e desempenho financeiro da mina, tornando viável a exploração de camadas espessas;

Segurança do trabalho, reduzindo a altura da frente de lavra em comparação à do LWM para a mesma camada explorada.

A análise das experiências adquiridas nos estudos Chineses e Australianos, junto com uma revisão geológica das jazidas de carvão no Região Sul do Brasil, levou à esse primeiro estudo de aplicabilidade.

2. MÉTODO DE LAVRA LONGWALL TOP CAVING - LTCC

O método de lavra LTCC emprega escavação por corte tradicional “LWM single-pass” da parte inferior da jazida de carvão, acompanhada da recuperação do carvão acima da lavra, pela parte de trás do suporte hidráulico. O suporte hidráulico empregado no LTCC (Fig.2) é uma versão modificada do suporte tradicional pelo LWM, que incorpora uma transportadora traseira e um cantiléver controlado hidraulicamente e capaz de virar em torno de um pinhão.

Figura 2 – Esquema mecanico semplificado do suporte idraulico para LTCC

Fonte: Xie & Zhao, 2009

A sequência de escavação permite que o carvão fraturado acima e na parte traseira do suporte seja confluído pelo cantiléver na transportadora traseira. Uma vez que uma área foi lavrada, o cantiléver traseiro é estendido de volta contra o material colapsado, parando qualquer influxo adicional de material. Consequentemente, o suporte é avançado junto com transportadora, pronto para o proximo ciclo de escavação.

Figura 3 – Processo de Caving

Fonte:Humphries e Poulsen, 2008 Acima dos suportes hidráulicos, a camada de carvão sofre dilatação horizontal (Zona de Enfraquecimento - Loosening Zone), porque o carvão é submetido a pressão vertical com pouco ou nenhum confinamento horizontal. O carvão fraturado cai atrás dos suportes, em uma tremonha virtual (Caving Zone). Com efeito silo, a abertura do cantiléver traseiro faz confluir o material na transportadora. A forma da tremonha virtual depende do ângulo de Caving (Figura 4), que é função da resistência do material. Humphries e Poulsen consideram que um carvão duro têm um ângulo de caving de apenas 40 a 70 graus e um carvão brando pode ter um ângulo de Caving até 100-110 graus.

Figura 4 – Ângulo de Caving

Humphries e Poulsen, 2008

Um parâmetro fundamental desta técnica é a Cavability (propriedade do material de colapsar e se fragmentar em uma granulometria que pode ser recuperada) do carvão superior ao nível de lavra (Top Coal, TC). A Cavability depende do grau de fraturação

natural do material, das condições tensionais in-situ, e dos parâmetros geomecânicos da rocha. De acordo com Humphires e Poulsen, o processo de fraturamento no TC começa adiante à frente de lavra (Fig. 3), quando as tensões verticais aumentam (Deformation Zone e Compression Zone). Vakili e Hebblewhite (2010) criaram um modelo de Cavability que inclui nos parâmetros o módulo E de elasticidade (de Young), a espessura T do TC, os espaçamentos horizontal Jh e vertical Jv das descontinuidades naturais no carvão, e as tensões principais horizontal h e vertical v. Sendo esse modelo muito sofisticado, no mesmo estudo eles admitem que, o modulo E de elasticidade pode ser substituído por uma função da resistência à compressão uniaxial da rocha (Uniaxial Compressive Strenght, UCS). Apesar da UCS não ser parâmetro diretamente influente na Cavability, ela tem uma alta dependência com o módulo E. Sendo as tensões principais uma função da profundidade, é possível pensar também de considerar essa profundidade como parâmetro representativo do estado tensional in-situ. O estudo de Humphries e Poulsen sugere um método empírico mais simplificado para calcular um index de Cavability (CI), que não considera a fraturação natural, mas apenas a profundidade de escavação (H), o UCS e a espessura (T) do TC. O CI leva á porcentagem de recuperação (TCR) do carvão do TC.

CI = -2,64 + 0,0395 H – 0,72 UCS + 0,191 T TCR = 2,72 CI + 78,0

No presente nível de estudo preliminar, o modelo simplificado é considerado mais apropriado para avaliar a aplicabilidade deste método. Humphires e Poulsen (2008) e Vakili e Hebblewhite (2010) concordam em uma classificação das condições de escavação por meio do TCR obtido. A porcentagem de recuperação (TCR) é calculada empiricamente, valores acima de 100% significa que parte do estéril superior é extraído também.

Tabela I - Classificação de Recuperação

Classe TCR [%]

Humphries e Poulsen (2008)

Vakili e Hebblewhite (2010)

1 > 80 >100 2 65 – 80 79 – 100 3 50 – 65 59 – 79 4 30 – 50 39 – 59 5 < 30 < 39

A aplicabilidade do método LTCC esta principalmente relacionada à resistência do carvão (UCS) e à profundidade de lavra (H). Os estudos de Alehossein e Poulsen e de Hebblewhite e Cai concordam nos limites destes parâmetros para obter uma Cavability ideal:

UCSlim = 25 MPa Hmin = 150 m

Abaixo de 25 MPa de resistência, e acima de 150 m de profundidade, as condições de Cavability são boas: as tensões permitem o fraturamento do material de forma adequada para fluir na abertura traseira dos suportes. Com UCS > 25 MPa e H < 150 m, o trabalho com LTCC pode virar problemático: as condições tensionais e de resistência da rocha podem levar a uma fragmentação não adequada, com tamanhos dos blocos superiores à abertura do cantilever traseiro, ou que podem obstruir o fluxo de material com efeito-arco (em contraste com o efeito-sílo). Para resolver esse problema, Yasitli e Unver (2005) sugerem, e os autores do presente trabalho concordam, o emprego do explosivo para criar uma pre-fraturação na camada. A sugestão dos autores dessa analise é o emprego de cargas fracas em furos inclinados com espaçamento elevado, realizados diretamente da frente de corte, por meio de perfuratrizes manuais e direcionados na zona compressa do TC além da frente, com a finalidade de criar um estado de fracturação uniforme e mínima para obter uma boa cavabilidade.

3. PROBLEMAS DE SUBSIDÊNCIA A subsidência é um dos maiores impactos ambientais da lavra subterrânea, a seguir é apresentado uma avaliação dos efeitos da subsidência por lavra LTCC. O LTCC, do ponto de vista do mecanismo corte+colapse do teto, é um caso análogo ao LWM normal. O processo de Caving do LTCC leva vantagem da recuperação do material normalmente colapsado na normal excavação Longwall. A subsidência é função da altura de lavra do Longwall, que é uma soma da altura de corte mais a espessura lavrada por Caving. A altura de corte (ALWM) é determinada pelo equipamento e a espessura incremental pelo Caving pode ser estimada pelo parâmetro TRC (a porcentagem de recuperação do volume do Top Coal - TC por meio do caving). O volume do TC é o produto da espessura do TC vezes a superfície do painel de lavra. Como a superfície do painel não varia, a mesma porcentagem TRC pode ser considerada representativa da porcentagem de aumento de altura de lavra pelo efeito do Caving:

AL =ALWM + (TRC T) Onde AL = altura efetiva de lavra (considerável por efeitos de subsidência), ALWM = espessura de lavra do Longwall, T = Espessura do carvão acima do nivel lavrado, TRC = percentagem de recuperação do carvão acima do nivel lavrado. Os resultados obtidos dessa forma são conservadores, pois consideram a altura do Caving regular e contínua. Entretanto é provável que o colapso seja irregular e leve à uma flexão parcial do teto mais que a um colapso completo. De acordo Chekan et al. (1993) existem três zonas distintas de perturbação nas camadas da cobertura, em resposta ao corte Longwall.

Figura 5 – Zonas de influencia da escavação Longwall na cobertura

Fonte: Chekan at al., 1993 Cada zona pode ser identificada pelas características de ruptura dos estratos. A localização das zonas depende da altura lavrada AL (Tabela 2). No presente estudo, a altura lavrada pode ser considerada como a altura efetiva AL, que considera também a sobre-escavação. Os autores do presente artigo criaram um código para representar as zonas de dano (Classe de Dano)

Tabela II - Zonas distintas na cobertura de uma abertura por corte Longwall

ZONAS INTERVALOS

EM ESPESSURA

CARACTERÍSTICAS DOS ESTRATOS

EFEITOS NO OVERBURDEN

CLASSE DE

DANO

Zona de Colapso

Região de Colapso

completo 3 – 6 AL

Os estratos colapsam, fragmentados em blocos irregulares de forma plana, de maneira aleatoria

graves problemas geológicos, a lavra pode ser impossível.

1

Região de Colapso parcial

6 – 12 AL

Os estratos assumem um grau significativo de flexão, levando a intensa fracturação ou dislocamento

Problemas geologicos de severos a moderados; mineração muito dificil

2a

Limite superior da

zona de Colapso

12 – 20 AL

Os estratos podem separar ao longo de planos e fraturas e juntas podem abrir; as camadas individuais permanecem intactas e os deslocamentos são menos prováveis

Problemas geologicos de severos a moderados; mineração muito dificil

2b

Zona de Fracturação 20 – 50 AL

Os estratos são divididos em blocos por meio de fraturas e fissuras devidas à separação das camadas; a flexão não é tão abrupta e as fraturas são menos pronunciadas

Problemas de controle geologico encontrados principalmente na calha de afundamento; a mineração, em geral, é menos difícil.

3

Zona de Inflexão 50 AL -

Superfície

A flexão dos estratos é gradual e distribuída sobre uma grande distância Eorizontal, sem causar grandes fissuras.

Praticamente não há problemas de controle geologico associados á sovre-escavação.

4

(adaptado de Chekan at al., 1993)

4. CARACTERÍSTICAS DAS JAZIDAS DE CARVÃO MINERAL BRASILEIRAS

Os depósitos principais de carvão mineral do Brasil estão situados nos estados de Paraná, Santa Catarina e Rio Grande do Sul. Segundo Bizzi et al (2003) as reservas de

carvão no Brasil somam 32 bilhões de toneladas in situ, sendo que 89% estão no Rio Grande do Sul, 10% em Santa Catarina e 0.3% no Paraná.

Figura 6 - Localização das Principais Jazidas de Carvão

Fonte: Bizzi et al (2003) De acordo com Bizzi et al. (2003) as jazidas brasileiras de maior importância (Tabela III) são nove: Sul-Catarinense (SC), Santa Terezinha (RS), Chico Lomã (RS), Charqueadas (RS), Leão (RS), Iruí (RS), Capané (RS), Candiota (RS) e Figueira-Sapopema (PR). A característica geológica principal é que “as camadas de carvão de todas as jazidas são parte constituinte da formação Rio Bonito, situada estratigraficamente na porção inferior do pacote de rochas sedimentares da bacia do Paraná, de idade Permiana, ou seja, com cerca de 260 milhões de anos. A profundidade das camadas varia de nula até

cerca de 1.200 m. Na jazida Santa Terezinha tem-se coberturas mínimas ao redor de 500 m, indo até valores máximos por volta de 800 m.” (Pereira Gomes et al.).

Tabela III - Recursos de carvão mineral “in situ” do Brasil, compreendendo reservas cubadas (medidas + indicadas + inferidas) e reservas marginais

Estado Jazida Recursos (106 t) % do Brasil

RS

Candiota 12.278 Santa Terezinha 4.283 Morungava/Chico Lomã 3.128 Charqueadas 2.993 Leão 2.439 Iruí 1.666 Capané 1.023 Outras 994 SOMA - RS 28.804 89,25

SC Sul - Catarinense 3.363 10,41 PR Diversas 104 0,32 SP Diversas 8 0,02

TOTAL 32.279 100,00 Fonte: Bizzi et al (2003)

Tabela IV - Resumo das principais jazidas de carvão da região Sul do Brasil identificados em literatura.

Localização profundidade do teto [m]

profundidade do piso [m]

Espessura da camada

mineralizada [m]

Tipo de material útil tipo de camada

Leão - Butia1 122 129 7 Carvão multipla

Faxinal2 9 12 3 Carvão + xisto

carbonífero única

Bacia Paraná3 100 110 10 Carvão multipla

Bacia Paraná3 29 41 12 Carvão multipla

Mina Bonito8 60 63,8 3,8 Carvão + xisto

carbonífero multipla

Mina Bonito4 54 57 3 Carvão + xisto

carbonífero multipla

Mina Fontanella4 90 94 4 Carvão + xisto

carbonífero multipla

Santa Terezinha5 618 621 3 Carvão multipla

Mina do Recreio5 27 33 6 Carvão multipla

Mina do recreio5 40 50 10 Carvão multipla

Candiota6 11,5 17 5,5 Carvão duas camadas

Candiota, BH F-364 MVII7 32 38 6 Carvão duas camadas

Candiota, BH F-365 MVII7 27 34 7 Carvão duas camadas (1) Silva et al., 2008; (2) Simas, 2008; (3): Holz, (1998); (4): Kalkreuth et al. (2010); (5): Kalkreuth et al. (2006);

(6): Pereira Gomes et al. (2003); (7): De Oliveira e Kalkreuth, (2010); (8): ZINGANO et al. (2007)

Uma análise da literatura disponível sobre as jazidas levou aos dados de Tabela IV. As referências de cada jazida são indicadas na tabela. As características geotécnicas foram analizadas através dos dados reportados nas pesquisas de Munaretti et al. (2004), Gonzatti (2007), Zingano et al. (2007). Os dados de resistencia a compressão uniaxial dos trabalhos citados foram analizados eliminando os valores extremos não significativos, e calculando uma média dos restantes. O resultado levou a considerar um UCSmedio = 22 MPa. Esse valor preliminar é aceitavel, e pode ser considerado representativo no atual nível de análise de aplicabilidade. Variações de até 20% no UCS não impactam significamente nos índices CI e TCR.

5. ANÁLISE DA APLICABILIDADE NA REGIÃO

Utilizando os dados do parágrafo 3, foi criado um modelo de Cavability de acordo com a formulação de Humphries e Poulsen, descrita no item 2. A fim de reduzir os custos operacionais, a escolha hipotética do tamanho dos equipamentos foi segui o seguinte critério:

Espessura lavrada = 2m quando a potência da camada é menor de 4 metros Espessura lavrada = 3m quando a potência da camada é maior de 4 metros

Esse critério de escolha é uma relação econômica entre redução de custo dos equipamentos e porcentagem de recuperação do material. Os resultados são reportados na Tabela V, onde H = profundidade de escavação, T = Espessura do carvão acima do nivel lavrado, CI = Index de Cavability, TRC = percentagem de recuperação do carvão acima do nivel lavrado Tabela V - Resultados da previsão de recuperação nas principales jazidas da Região Sul

do Brasil.

Localização H [m]

Espessura Camada

[m]

espessura lavrada

[m]

T [m] CI TRC

[%]

Classe (Humphries e

Poulsen )

Classe (Vakili e

Hebblewhite ) Leão – Butia 122 7 3 4 -12,9 42,9 4 4

Faxinal 9 3 2 1 -17,9 29,2 5 5

Bacia Paraná 29 12 3 9 -15,6 35,5 4 5

Bacia Paraná 100 10 3 7 -13,2 42,1 4 4

Mina Bonito 54 3 2 1 -16,2 34,1 4 5

Mina Bonito 60 3,8 2 1,8 -15,8 35,1 4 5

Mina Fontanella 90 4 3 1 -14,7 37,9 4 5

Mina do Recreio 27 6 3 3 -16,8 32,2 4 5

Mina do recreio 40 10 3 7 -15,6 35,7 4 5

Santa Terezinha 618 3 2 1 6,1 94,7 1 1

Candiota 11,5 5,5 3 2,5 -17,5 30,3 4 5

Candiota, BH F-365 MVII 27 7 3 4 -16,6 32,7 4 5

Candiota, BH F-364 MVII 32 6 3 3 -16,6 32,7 4 5

É evidente como a jazida mais interessante pela aplicabilidade do LTCC é a Santa Terezinha. A elevada profundidade dessa camada leva a uma condição ótima para a operação do LTCC. Deve ser resaltado que o alto valor de TRC obtido nesse caso é devido também ao baixo valor de espessura do TC acima da espessura lavrada. També, aparecem resultados interessantes na jazida Leão – Butia, nas duas camadas do Bacia Paraná e da camada profunda da Mina do Recreio. Nesses casos a grande espessura da camada, apesar de não ser muito alto o TRC, permite uma recuperação de um alto volume de material, mantendo reduzida a altura de corte. Em particular, no caso da Leão – Butia e da camada profunda do Bacia Paraná, as profundidades são proximas á profundidade mínima. Em todos esses casos, uma aplicação de equipamentos LTCC até um pouco maior, junto à pre-fracturação do TC por meio de explosivo, pode permitir a exploração de grandes camadas com custos operacionais relativamente reduzidos.

6. ANALISE DA SUBSIDÊNCIA NA REGIÃO As consequências de subsidência na superfície das jazidas objeto de análise foram avaliadas de acordo com o item 3 deste artigo. A altura efetiva de lavra foi considerada como soma da altura de lavra Longwall e da percentagem TRC da espessura de carvão acima do nível lavrado. As condições de subsidência são representadas pela classe de dano; os efeitos correspondentes a cada classe são detalhados na Tabela 2.

Tabela VI - Zonas de dano pelas condições operativas das jazidas em avaliação

Localização H

[m]

altura lavrada

ALWM [m]

T [m]

TRC [%]

Altura efectiva de Lavra AL

Razão H / AL

Classe de Dano

Leão - Butia 122 3 4 42,9 4,7 26 3 Faxinal 9 2 1 29,2 2,3 4 1

Bacia Paraná 29 3 9 35,5 6,2 5 1 Bacia Paraná 100 3 7 42,1 5,9 17 2b Mina Bonito 54 2 1 34,1 2,3 23 3 Mina Bonito 60 2 1,8 35,1 2,6 23 3

Mina Fontanella 90 3 1 37,9 3,4 27 3 Mina do Recreio 27 3 3 32,2 4,0 7 2a Mina do recreio 40 3 7 35,7 5,5 7 2a Santa Terezinha 618 2 1 94,7 2,9 210 4

Candiota 11,5 3 2,5 30,3 3,8 3 1 Candiota, BH F-365 MVII 27 3 4 32,7 4,3 6 2a Candiota, BH F-364 MVII 32 3 3 32,7 4,0 8 2a

É evidente como as camadas mais profundas, e aquelas com espessura lavrada menor, levam a menores efeitos de subsidência. A jazida Santa Terezinha, novamente, torna-se

a mais interessante, pois não leva a nenhum dano na superficie. Tambem as jazidas Leão – Butia, da Mina Bonito e da Mina Fontanella levariam a baixos níveis de dano por subsidência. A aplicação do LTCC nas jazidas com classe de dano 4 é praticamente sem problemas. Nas jazidas com classe de dano 3, de acordo com um estudo de Thompson et al. (2011) sobre a influência da subsidência causada pelo método de lavra Longwall nos vinhedos da Austrália Oriental, é possível prever que os efeitos de subsidência, onde a presença humana em superfície é reduzida a atividades agrícolas, serão localizadas nas zonas das rachaduras de tração no solo, e não haverá um efeito negativo generalizado no desenvolvimento ou na produtividade agrícola. Os efeitos hidrogeológicos dependem de condições do aquífero no sub-solo que não são objeto dessaanálise , mas que precisam de mais estudos e atenção.

7. CONCLUSÕES

A técnica LTCC combina a comprovada eficiência da escavação Longwall com uma elevada redução de custos e de riscos de segurança na exploração de jazidas com espessura maior que quatro metros, recuperando o carvão colapsado na parte traseira dos suportes hidráulicos. A aplicação do método por 20 anos na China, e os estudos de aplicação na Australia, são evidências de um interesse crescente no emprego dessa técnica no mundo para a lavra de grandes espessuras de carvão. O potencial de fraturamento do material por colapso, e consequente recuparação por meio dessa técnica depende das condições geo-mecânicas da rocha e do estado tensional in-situ na lavra. Para uma fase de estudo de viabilidade preliminar, os parâmetros de operação que podem ser considerados representativos são:

a profundidade de escavação; a resistência a compressão monoaxial do carvão; a espessura do carvão na parte da jazida superior a espessura de corte.

O parametro indicativo da recuperação da camada superior de carvão é a porcetagemTCR (Top Coal Recovery). As condições para obter uma boa Cavability são resistência a compressão uniaxial abaixo de 25 MPa de resistência, e lavra com mais de 150 m de profundidade. A Região Sul do Brasil possui jazidas importantes, com camadas espessas que tem potencial para ser lavrada com técnica LTCC. O maior potencial foi achado na jazida Santa Terezinha, no estado do Rio Grande do Sul, pela grande profundidade da camada que torna ótima a condição de lavra. Outras jazidas, da Leão – Butia, do Bacia Paraná e da Mina do Recreio, possuem um interessante potencial de recuparação, devido a elevada espessura das camadas. O emprego de pré-fracturação com explosivo pode lidar com o problema de fraturamento insuficiente ao colapso em níveis de estado tensional não adequado. A avaliação dessa técnicapelas camadas Sul-Brasileiras precisa de maiores estudos geológico e geotécnicos, com aplicação de modelos mais sofisticados e precisos para determinar o potencial de recuperação.

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