COLAPSO DE PILARES EM MINA SUBTERRÂNEA DE CARVÃO – MINA DOBARRO BRANCO – SANTA CATARINA

André Cezar Zingano, UFRGS, Professor/DEMINandrezin@ufrgs.br

Jair Carlos Koppe, UFRGS, Professor/DEMINJoão Felipe Coimbra Leite Costa, UFRGS, Professor/DEMIN

RESUMO

Colapso de pilares em mineração de carvão é classificado em dois tipos: colapso violento ecolapso não violento. Os pilares devem ser projetados para serem permanentes, com oobjetivo de evitar subsidência. Nos últimos dois anos ocorreram vários colapsos de pilaresna região de Criciúma – SC, sendo um violento e os outros por esmagamento. Ambos foramconsiderados colapsos massivos por ocorrer o colapso de um grande número de pilares. Nocaso do colapso violento de pilares, a razão largura/altura dos pilares era menor que três efator de segurança maior que 1,3. Ocorreu o colapso de 100 pilares em 3 horas. O objetivodeste trabalho é determinar o mecanismo de ruptura dos pilares para o caso do colapsoviolento de pilares. Foram utilizados monitoramento da convergência e modelamentonumérico para combinar dados de campo e simulação da ruptura de pilares. Os resultadosmostram que outros fatores afetam a estabilidade dos pilares, como inclinação da camada.

Palavras-chave: carvão, ruptura de pilares, câmaras-e-pilares, modelo numérico.

ABSTRACT

Pillar collapse can be classified in two types: squeeze and violent pillar collapse. The coalpillar should be designed as permanent to avoid subsidence. In the last two years variouspillar collapses occurred; being one violent collapse and the others squeeze collapse. Bothwere considered massive pillar collapse because many pillars failed. In the case of theviolent pillar collapse the width-to-height ratio was less than 3, but the pillar safety factor wasmore than 1.3. There was a cascade pillar collapse, where about 100 pillars failed in lessthan three hours. The objective of this study is to determine the mechanism of pillar collapsefor this violent pillar collapse. Convergence monitoring and numerical model were applied tocombine field data and theoretical approach. The results showed that not only the geometryof pillar was the cause of the pillar failure. Other parameters, mainly dip of the coal seam,may affect the strength of pillar.

Keywords: coal, pillar failure, room-and-pillar, numerical modeling

INTRODUÇÃO

A região sul do Brasil detém 100% das reservas de carvão do país. A produção anual médiade carvão no Brasil é de 8 milhões de toneladas, sendo que a maioria dessa produção édestinada para a geração de enegia. Cinqüenta porcento dessa produção é oriunda de lavrasubterrânea, pelo método de câmaras-e-pilares. Portanto, problemas associados comruptura de pilares, teto e piso tornam-se prioridade para serem evitados.

As minas de carvão subterrâneas em Santa Catarina são consideradas minas rasas. Aespessura de cobertura pode variar de 20m até 400 metros. Devido a essecondicionamento, os pilares devem ser dimensionados para evitar problemas associados asubsidência e influência sobre o lençol freático.

Nos últimos dois anos ocorreram quatro colapsos de pilares em diferentes minerações e emdiferentes camadas de carvão na região de Criciúma – SC (Figura 1). Pode-se afirmar quetodos os colapsos foram responsáveis pela ruptura de centenas de pilares. Deve-seconsiderar colapsos violentos ou não violentos pela velocidade do colapso. A grande maioriados colapsos de pilares que ocorreram nas minas da ragião de Criciúma foram causadospor problemas de dimensionamento dos pilares.

O colapso considerado violento ocorreu na mina do Barro Branco – Carbonífera Rio DesertoLtda, localizada no município de Lauro Muller, distante 30 km ao norte de Criciúma. Emtorno de 100 pilares sofreram ruptura em menos de três horas, ocasionando um pequenoterremoto na superfície e deslocamento de ar no interior da mina. Depois do primeirocolapso violento, mais de 700 pilares romperam em seis semanas, ocasionado pelo efeitodominó e redistribuição das tensões. Todo o painel foi colapsado e, posteriormente, a minafoi fechada por problemas de segurança devido aos efeitos que o colapso de pilares causoupara a mina toda. Esse colapso foi monitorado antes e depois de sua ocorrência.

A Figura 2 mostra o painel onde ocorreu o calpso violento de pilares. O colapso violentoiniciou no topo do painel, onde a camada apresentava mergulho em torno de 10° e ospilares quadrados possuiam altura de 4 m e largura de 8 metros. O painel foi desenvolvidoentre duas falhas. Esse desenvolvimento não favoreceu a transferência de parte dastensões para o maciço lateral ao painel.

Figura 1 – Localização da região de Criciúma, onde localizam-se as minerações de carvãoem Santa Catarina (Figura sem escala).

Antes da ocorrência do primeiro colapso, alguns extensômetros foram instalados com oobjetivo de realizar monitoramento das deformações dos pilares e convergência do teto.Após esse colapso, outros extensômetros para medir a convergência do teto também foraminstalados. O monitoramento antes e depois do primeiro colapso mostraram a evolução daruptura dos pilares e convergência do teto, os quais foram simulados por meio de métodosnuméricos. O monitoramento da convergência após o primeiro colapso mostrou ocomportamento do teto imediato e principal na frente de avanço do colapso, ocasinando oefeito-arco.

Figura 2 – Painel de lavra da mina do Barro Branco onde ocorreu o colapso violento depilares.

O objetivo deste trabalho é analisar os mecanismos da ruptura de pilares e do colapsoviolento dos pilares que ocorreu na mina do Barro Branco e, consequentemente, apropagação do colapso para o restante do painel. Nesta análise deve-se considerar ageologia estrutural, as dimensões dos pilares e galerias, a inclinação e espessura dacamada de carvão e cobertura.

Para a análise desse colapso a seguinte metodologia foi utilizada:• Descrever a geologia das camadas que formam o sistema piso-pilar-teto do painel

que ocorreu o colapso;• Descrever a geologia estrutural, referente a presença de falhas, fraturas e mergulho

da camada de carvão no painel o colapso;• Descrever as defomações dos pilares e teto por meio da instrumentação dos pilares

e teto e, também, da topografia da superfície acima do painel que ocorreu o colapso;• Construir modelo numérico para a análisar o mecanismo de ruptura dos pilares,

comparando com a instrumentação;• Analisar o efeito-arco do teto imediato e principal por meio da instrumentação.

Este estudo inicia com a descrição da geologia e geologia estrutural da camada Bonito quetêm influência na estabilidade dos pilares e que governam as potencialidade de ruptura

desses pilares. Em função dessas informações geológicas e estruturais e, também, daspropriedades geomecânicas do maciço rochoso foram realizadas simulações numéricaspara estudar o mecanismo de ruptura dos pilares na mina do Barro Branco. Essa simulaçãonumérica foi comparada com o monitoramento das deformações dos pilares e teto.

GEOLOGIA E GEOLOGIA ESTRUTURAL

Duas camadas de carvão são mineradas na região carbonífera de Criciúma – SC, as quaispertencem a Formação Rio Bonito (Figura 3). A primeira é a camada Barro Branco que temespessura variando entre 1,5 até 2,3 metros. A segunda camada de carvão é a camadaBonito que possui espessura variando entre 2,5 e 5,5 metros. Essa última camada é acamada que é considerada nesse trabalho. Portanto, pode-se de imediato considerar que aaltura da camada é um dos parâmetros que deve ser contado para a estabilidade dospilares.

Figura 3 – Coluna estratigráfica da formação Rio Bonito.

A camada Bonito está localizada na base da parte superior da formação Rio Bonito, sendoque, em muitos casos, a camada se encaixa em paleovales abaixo da formação. Aconsequência dessa acomodação e, também, por forças tectônicas, a camada Bonito écortada por falhas e fraturas e o mergulho da camada varia de magnitude ao longo da mina,variando de 0° a 15°. Os rejeitos das falhas podem variar de poucos centímetros até váriosmetros (15-20 metros).

Devido a presença dessas fraturas e falhas, blocos da camada de carvão são formados nospilares quando ocorre a escavação das galerias e travessas. O escorregamento dessesblocos para dentro das aberturas subterrâneas provoca acidentes com equipamentos etrabalhodores, além de reduzir a resistência dos pilares e aumentar a probabilidade deruptura.

A Figura 4 mostra o perfil geological da camada Bonito, incluindo o teto imediato e tetoprincipal e o piso com as respectivas espessuras. O teto da camada Bonito é formado por

duas camadas de arenito, uma camada de arenito laminado (teto imediato) com 3 m deespessura em média e uma camada de arenito maciço (teto principal) com espessura médiade 10 metros. A camada Bonito tem espesura média de 4 m, sendo essa espessura queserá considerada na simulação numérica.

Figure 4 – Perfil geológico da camada Bonito, incluindo as litologias que formam o sistemapiso-pilar-teto.

COLAPSO VIOLENTO DE PILARES

O colapso violento de pilares tem sido estudado por diferentes autores (Zipf, 1992; Mark,1999; Peng, 1986; Salamon e Ozarevsc, 1970; Salamon, 1970; Khair e Peng, 1985). Ocolapso violento de pilares (ou colapso não controlado) está conectado a rigidez das rochasencaixantes que formam o piso e o teto do painel de lavra e com a relação entre a lagura ealtura (w/h) do pilar (Mark, 1999; Salamon e Ozarevsc, 1970).

A Figura 5 mostra a relação do fator de segurança determinado pelo método ARMPS(Analysis of Retreat Mining Pillar Stability) e com a relação w/h (Mark, 1999). Pode serobservado na figura que os casos de colapso violento de pilares ocorreram quando a razãow/h é menor que 3 e o fator de segurança é menor que 1,5.

Um pilar com baixa razão w/h tem baixo confinamento do núcleo do pilar. Então, aconsequência imediata é a redução da resistência do pilar e de seu comportamento pós-ruptura, aumentando a probabilidade de colapso violento. O modelo de carregamento de umpilar e sua ruptura proposta por Wagner (1974) terá alta velocidade em pilares com razãow/h<3 do que em pilares com razão w/h>3.

Zipf (1992) apresenta uma análise do modelo de ruptura de um pilar de carvão e distingue aruptura de pilares de carvão em violenta (ou instável) e não-violenta (estável), baseado narigidez local da mineração, i.e., baseado na rigidez das rochas encaixantes e da camada decarvão. O autor considera uma ruptura estável (não-violenta) quando a rigidez das rochasencaixantes é menor que a rigidez do pilar de carvão. A ruptura violenta (instável) ocorrequando a rigidez das rochas encaixantes é maior que a rigidez do pilar de carvão.

Figura 5 – Colapso violento e não violento de pilares de carvão baseado no método ARMPSe pela razão w/h (Mark, 1999).

DETERMINAÇÃO DO FATOR DE SEGURANÇA

Métodos empíricos usualmente são aplicados para o dimensionamento de pilares de carvãono Brasil. Os métodos mais empregado são o método Sul-Africano (Salamon e Munro,1963), representado pela equação (1) e o método CIENTEC (Agostini et.a., 1991),representado pela equação (2). Para o método Sul-Africano a resistência da camada decarvão (σm) é de 7,176 MPa e para a o método da CIENTEC é de 7.12 MPa. A tensãovertical sobre o pilar é estimada por meio da teoria da área tributária (Obert e Duvall, 1967;Peng, 1986). Nesse trabalho, para a determinação do fator de segurança será empregadométodo Sul-Africano.

A geometria do modelo do pilar e das galerias é a seguinte: espessura de cobertura de 60m, pilar com 8 m de largura e 4 m de altura e galerias com 5 m de vão. A razão w/h para opilar é 2 (dois), indicando que o pilar possui probabilidade de colapso violento.

66.0

46.0

mph

wσ=σ (1)

)hw

222.0778.0(mp +σ=σ (2)

Considerando os parâmetros acima, a tensão vertical sobre o pilar é de 4.28 MPa e aresistência do pilar é de 7.69 MPa. Portanto, o fator de segurança é de 1.75. Esse fator desegurança indica que o pilar é estável, mas a razão largura/altura é apenas dois. Esseúltimo parâmetro pode ser o indicativo de ruptura violenta, apesar do fator de segurança seralto.

Em outros locais da mina, onde a camada é considerada plana (mergulho da camadapróximo de zero) e com a mesma espessura de cobertura, os pilares apresentavam nítidaestabilidade. Portanto, outros fatores como o mergulho da camada devem ser consideradosno estudo da estabilidade dos pilares. Métodos empíricos não consideram a inclinação dacamada de carvão e sua conseqüente influência na distribuição das tensões no pilar. Nolocal onde ocorreu o primeiro colapso de pilares a camada apresentava mergulho médio de10°. Portanto, a distribuição das tensões no pilar e modo de carregamento do pilar serádiferente de um pilar em uma camada horizontal. A Figura 6 mostra o modelo de distribuição

das tensões em um pilar, especialmente as componentes da tensão vertical devido ainclinação da camada.

Figura 6 – Componentes da tensão vertical em um pilar em uma camada com mergulhodiferente de zero.

A distribuição das tensões no pilar em uma camada inclinada é diferente da distribuição dastensões em um pilar em uma camada plana. A componente tangencial da tensão verticalmodifica a distribuição das tensões no pilar e as deformações e deslocamentos da paredeque está na direção do mergulho da camada são maiores que as demais paredes do pilar. Aparede do pilar localizada da parte de baixo, na direção do mergulho da camada apresentarachaduras e quedas de blocos, os quais são indicativos do forte deslocamento da parede.A Figura 7a mostra uma fotografia de um pilar onde pode-se observar rachaduras e a figura7b mostra o deslocamento acumulado dessa mesma parede. O monitoramento foi realizadopor meio de um extensômetro ancorado 2 m dentro do pilar.

MODELO NUMÉRICO

Como é mostrado na Figura 7, a deformação da parede do pilar que está na direção domergulho da camada ocorre devido ao alívio das tensões e devido a inclinação da camada.Quando a parede do pilar rompe por completo, ela tomba para dentro da galeria. Aconsequência imediata desse tombamento é a diminuição das dimensões do pilar eaumento da largura da galeria, diminuição da razão w/h e diminuição do confinamento donúcleo do pilar.

Um modelo numérico em duas dimensões foi construído com objetivo de simular a rupturado pilar na região do painel onde a camada é inclinada e onde deu-se início ao colapso detodo painel. A influência do mergulho da camada deve levada em consideração nessemodelo. Nesse modelo, os elementos localizados na parede do pilar que indicam rupturasão retirados, simulando o tombamento da parede do pilar.

As dificuldades para construir esse modelo estão associadas com a correta definição dasequência de lavra e caimento da parede do pilar e as propriedades geomecânicas de cadacamada de rocha. A simulação foi baseada no modelo numérico utilizando o método dediferenças finitas por meio do software FLAC-2D, versão 4 da Itasca (educacional).

Modelo geométrico e sequência de lavra

O modelo numérico faz a simulação da escavação de uma galeria e o tombamento daparede do pilar causado pela inclinação da camada de carvão e pelo alívio das tensõesdevido a escavação. A geometria do modelo após a escavação é apresentada na Figura 8 e

a espessura de cada camada que forma o sistema piso-pilar-teto é baseada na Figura 4.

O objetivo é simular o comportamento do pilar de carvão sumetido as tensões vertical ehorizontal e a evolução da ruptura da parede (tombamento) devido a escavação e aredistribuição das tensões em uma situação de camada inclinada.

(a)

Deformação da parede do pilar de 9/4/2002 até 10/22/2002 (P2 - C23 - 2/4) - Extensômetro de haste - 2.0m

-0.5

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

3.5

4.0

4.5

0 2 6 12 16 21 33 40 42 44 48 50 52 54 56

Tempo (dias)

Def

orm

ação

(mm

)

diárioacumulado

(b)Figura 7 – (a) Foto de um pilar mostrando rachaduras devido ao deslocamento da parede e

(b) o monitoramento do deslocamento da parede por meio de extensômetro.

Figura 8 – Geometria utilizada na simulação numérica (distâncias em metros).

As etapas da simulação numérica seguem abaixo:1. Escavação da galeria e alteração das propriedades geomecânicass do carvão que

forma uma espessura em torno de 1 m de parede causado pelo desmonte comexplosivos;

2. A parede do pilar tomba;

3. Continuação da ruptura do pilar

O resultado dessa análise deve determinar se a inclinação da camada de carvão e aevolução da geometria do pilar possui influência na ruptura do pilar e no colapso violento.

Propriedades dos materiais

As propriedades dos materiais são descritas na Tabela 1. Todas as camadas que formam osistema piso-pilar-teto têm comportamento elasto-plático obedecendo o critério de Mohr-Coulomb. Como pode ser observado, o módulo de Young (E) do teto imediato é maior que omódulo de Young da camada de carvão, mas o valor de E para o piso é semelhante acamada de carvão. Portanto, existe uma situação diferente ao modelo de Zipf (1992), naqual a probabilidade de ocorrer uma ruptura não controlada do pilar quando a rigidez do pilaré maior que a rigidez das rochas encaixantes. Logo, o colapso violento que ocorreu nopainel em estudo não foi causado pela diferença de rigidez entre o pilar e as camadas queformam o teto e o piso.

O modelo numérico é um modelo em duas dimensões considerando as deformações noplano do modelo (plane strain).

Tabela 1 – Propriedades dos materiais utilizados no modelo numérico.Rocha Módulo

Young(GPa)

Razãode

Poisson

Ângulo deAtrito

(graus)

Coesão(MPa)

Lam-Sand 14,4 0,18 25,56 5,96Siltstone 3,60 0,22 31,82 1,70

Coal 3,50 0,25 21,33 1,39Coal-Blast 1,27 0,25 11,23 0,40

Para determinar se um elemento do modelo entra em estado de ruptura ou não é levado emconsideração o critério de ruptura de Mohr-Coulomb (Equação 3). Este critério assume umarelação linear entre a tensão máxima e a tensão mínima.

φ−φ+σ+φ=σ

sin1)sin1(cosc2 3

1 (3)

onde, σ1 e σ3 são as tensões máxima e mínima principais; φ é o ângulo de atrito interno e c éa coesão. Assumindo que a tensão mínima é zero, a resistência do maciço rochoso (σcm) édeterminado pela Equação 4.

φ−φ=σ

sin1cosc2

cm (4)

Como a tensão de ruptura (σy) de um elemento é determinado pela Equação 5, o elementoirá romper se a tensão máxima (σ1) determinada pelo modelo numérico for maior que atensão de ruptura.

Tensões iniciais

As tensões virgens vertical e horizontal e a razão entre elas são necessárias para asimulação do comportamento do maciço rochoso quando da escavação da galeria e docomportamento do pilar. Vários fatores podem influir na alteração da razão entre as tensões

horizontal e vertical virgens (tensões iniciais no modelo numérico), tais como forçastectônicas, anisotropia do pacote sedimentar e alívio das tensões devido a erosão evariação topográfica (Cornet, 1993). O maciço rochoso neste estudo é uma formaçãosedimentar afetada por forças tectônicas e pelo derrame de basalto espesso sobre essepacote. Logo, a relação entre a tensão horizontal e tensão vertical baseada na razão dePoisson (teoria da elasticidade) não pode ser aplicada.

Não existem medidas de tensões in-situ na região da bacia carbonífera de Criciúma.Portanto, levando em consideração a razão entre tensão horizontal e vertical seráconsiderada com valor de 2 (dois) devido a erosão do pacote de derrame basáltico e aforças tectônicas.

A simulação do campo de tensões nesse modelo é realizada pela aplicação de pressões nocontorno do modelo geométrico. A tensão vertical simula uma espessura de cobertura de 60metros e a tensão horizontal será o dobro da tensão vertical.

Modelo numérico

O modelo numérico simula o comportamento do pilar submetido a redistribuição das tensõese as deformações da parede, causdas pela inclinação da camada de carvão. A figura 9mostra a deformação do pilar e teto imadiato. O deslocamento da parede do pilar no modelonumérico é em torno de 10 mm, enquanto o deslocamento medido pelo extensômetro foi de4,5 mm. a diferença é causada pela interrupção das medidas 15 dias antes da ruptura dopilar devido a insegurança do local.

Quando a galeria é escavada, a qualidade da rocha nas peredes do pilar diminui devido aodesmonte com explosivo. Apesar da baixa qualidade do maciço rochoso, pode-se observarque a zona de ruptura atinge em torno de 1,5 m para dentro pilar, além da zona afetada pelodesmonte (Figura 10).

Como pode ser observado nas figuras 9 e 10, o pilar inicia sua ruptura devido a deformaçãoexcessiva da parede do pilar e a propagação da ruptura pelo tombamento da zona rompidapara dentro da galeria. A redução do tamanho do pilar, devido ao tombamento de parte dopilar, e a inclinação da camada de carvão foram as causas da ruptura do pilar. A causa daruptura violenta de 100 pilares em poucas horas é devido a razão w/h ser menor que três ea rápida transferência de tensões dos pilares rompidos para os pilares adjacentes, os quaistambém apresentavam sinais de ruptura devido a inclinação da camada de carvão.

A figura 11 mostra a curva tensão/deformação do pilar para as três etapas da simulaçãonumérica. Pode-se observar que a tensão máxima para a primeira etapa é menor que dasegunda e terceira etapas. Portanto, a ruptura do pilar poderia ser evitada se o pilar tivessesido reforçado (Zingano, 2002).

EFEITO ARCO

Após o início do colapso na reigão da camada inclinada, o colapso avançou na direção daentrada do painel (Figura 2). O avanço do colapso violento tinha uma velocidade em tornode uma a duas linhas de pilares por dia, com alguns dias de intervalo quando não ocorriaruptura de pilares. O colapso encerrou 45 dias depois de iniciado.

O avanço do colapso para o restante do painel tem duas causas principais: (1) aredistribução das tensões dos pilares rompidos para os pilares intactos e (2) a transferênciade tensões por meio do maciço rígido que formava o teto imediato e teto principal.

(a) (b)

(c)Figura 9 – Deformação do pilar e teto causado pela ruptura do pilar. (a) escavação da

galeria, (b) tombamento da parede do pilar e (c) ruptura do pilar.

(a) (b)

(c)Figura 10 – Plasticidade do pilar e do teto imediato. (a) escavação da galeria, (b)

tombamento da parede do pilar, (c) ruptura do pilar.

(a) (b)

(c)Figura 11 – Curvas de tensão/deformação do pilar para as três etapas da simulação

numérica. (a) escavação da galeria, (b) tombamento da parede do pilar e (c) ruptura do pilar.

Durante esse período foi possível instalar instrumentos para o monitoramento daconvergência do teto em relação ao piso na frente do avanço do colapso. A figura 12 mostraa localização de dois extensômetro que foram instalados a frente do colapso de pilares.

O teto imediato formado por arenito laminado possuia 3 m de espessura e o teto principalformado por arenito maciço possuia 10 m de espessura. Essas duas camadas eramextremamente competentes.

Enquanto o calpso de pilares avançava na direção da entrada do painel, o teto imediatoentrava em colapso na área em que os pilares estavam rompidos, mas o arenito maciço nãorompia (ou quebrava). Ele permanecia intacto e apenas apoiava-se sobre o os pilares e tetoimediato rompidos.

Os extensômetros #1 e #2 apresentaram comportamentos diferentes para o teto imediato(arenito laminado). O extensômetro #1 tem convergência entre o teto e o piso, enquanto oextensômetro #2 tem divergência entre o teto e o piso (Figura 13). Este comportamentodiferente entre os extensômetros pode ser explicado pelo fato de as duas camadas dearenito não romperem antes da ruptura total do pilar. Este fenômeno de convergência edivergência ocorre porque o arenito tenta entrar em equilíbrio por meio da deformação, pornão conseguir romper, adquirindo comportamento de deformação como uma viga embalanço. Esse comportamento é denominado de efeito-arco. A figura 14 mostra o efeito-arco, onde ocorre compressão (covergência) sobre os pilares próximos ao colapso edescompressão (divergência) sobre os pilares nos pilares atrás da zona de compressão.

A consequência do efeito-arco é a existência de uma pequena separação do teto imediatopara o pilar, ocorrendo o alívio da pressão sobre o pilar (Figuras 13 e 14). A consequênciaimediata do alívio de pressão é a perda do confinamento do núcleo do pilar, as paredes dopilar não tem sustentação e tombam e a resistência do pilar é drasticamente reduzida. Amedida que o colapso de pilares avança o efeito-arco também avança, afetando a

resistência de todo painel. Portanto, os pilares estavam submetidos a um ciclo decompressão-decompressão-compressão, o qual alterou o equilíbrio inicial das tensões ecausou a redução da resistência. Enquanto não houver alguma descontinuidade (falha oufratura) que corte a camada de arenito maciço o efeito-arco irá avançar e não haverá ainterrupção do colapso.

Figura 12 – Localização dos extensômetros.

e xt#1 - trav e ssa 7 - gale r ia 0

-0.35

-0.30

-0.25

-0.20

-0.15

-0.10

-0.05

0.00

0.05

0:00 2:24 4:48 7:12 9:36 12:00 14:24 16:48

te m po (hora s)

defo

rmaç

ão (m

m)

(a)e xt#2 - tr av e ss a 5 - g a le r ia 0

0.00

0.05

0.10

0.15

0.20

0.25

0.30

0.35

0.40

0.45

0.50

0:00 :00 4:48 :00 9:36 :00 14:24:00 19:12:00 24:00:00te m po (hora s)

defo

rmaç

ão (m

m)

(b)Figura 13 – Extensômetros #1 e #2 mostrando as regiões de (a) convergência e (b)

divergência. No extensômetro #1, quando a linha estiver na vertical, o pilar entra em ruptura.

Devido ao baixo confinamento do pilar no momento da descompressão e a perda deconfinamento do núcleo do pilar, o pilar não terá resistência para suportar a pressão verticalimposta pelas camadas de arenito no momento da compressão e irão romper; muitas vezesde forma catastrófica, dependendo da razão largura/altura.

Figura 14 – Efeito-arco para um teto formado por camadas de arenito.

CONCLUSÕES

Este trabalho mostrou os mecanismos de ruptura dos pilares em camada inclinada e ascausas do colapso violento dos pilares. Devido ao mergulho da camada, a distribuição dastensões quando ocorre a construção do pilar é diferente da distribuição das tensões empilares localizados em camadas horizontais.

Para previnir colapso violento de pilares, o dimensionamento de pilares deve ser de forma arepresentar a distrubuição das tensões e com razão largura/altura maior que 3. A simulaçãodas tensões em camada inclinada pode ser realizada por meio de modelos numéricos, osquais oferecem condições de construir modelos mais adequados a realidade de cada caso.

O efeito-arco apresentado nesse paper também foi detectado em outros casos. Entretantonão ocrreu o monitoramento do efeito. A simulação numérica desse comportamento do tetoserá realizado na sequência da pesquisa. A prevenção do efeito-arco e sua consequênciacatastrófica é provocar a quebra da camada de arenito maciço, provocando o alívio dastensões e evitando a transferência das tensões (Su, 2001).

Na região do primerio colapso de pilares, dez pilares foram reforçados com tiras metálicas.Esses pilares romperam devido a alta pressão que foram submetidos. O reforço de pilaresdeve ser estudado com maior detalhe e critério. Entretanto, deve-se salientar que o reforçode pilares terá sucesso se todo o painel for reforçado e os pilares devem ser reforçadosantes de sua ruptura. O reforço de pilares também não irá ser efetivo em pilares com fatorde segurança menor que um, i.e., pilares com com resistência menor que as pressões sobreeles.

AGRADECIMENTOS

Os atores agradecem a Carbonífera Rio Deserto Ltda., Fundação Luiz Englert, Laboratóriode Pesquisa Mineral e Planejamento Mineiro do DEMIN/UFRGS pelo apoio financeiro,infraestrutura e informações necessaries para a execução desse trabalho.

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