CONSIDERAÇÕES SOBRE DESMONTE MECÂNICO DE CALCÁREO A CÉU ABERTO

Júlio César de Souza, UFPE, Prof. Adjunto, jcsouza@ufpe.brJosé Lins Rolim Filho, UFPE, Prof. Adjunto, zelins@hotmail.com

Márcio Luiz de Siqueira Campos Barros, UFPE, Prof. Assistente, mlbarros@ufpe.brBelarmino Barbosa Lira, UFPB, Prof. Adjunto, kblira@terra.com.br

José Édson Bezerra, CIBER – Wirtgen Group, Eng° de Minas, j.edson@superig.com.br

RESUMO

O presente trabalho aborda a aplicação da tecnologia de desmonte mecânico na lavra a céuaberto de calcáreo na região de João Pessoa, estado da Paraíba. São apresentados dadosgerais de operação, produtividade e características construtivas do minerador WirtgenSurface Miner 2200 SM, em operação na lavra de calcáreo na Paraíba, com indicação dasmetodologias de trabalho aplicadas. Também são comentadas outras tecnologias existentesatualmente para desmonte mecânico de rochas a céu aberto. Por fim é apresentada aperformance do equipamento Wirtgen 2200 SM com dados práticos colhidos na operaçãoem João Pessoa indicando a produtividade média alcançada e resultados técnicos obtidosem comparação ao desmonte convencional com uso de explosivos.

Palavras Chave: Minerador de superfície, calcáreo, lavra a céu aberto

ABSTRACT

The present work approaches the application of the continuous mining technology inlimestone quarriyng at the area of João Pessoa, state of Paraíba. General data of operation,productivity and constructive characteristics of the Wirtgen Surface Miner 2200 SM arepresented, in operation at the limestone mining in Paraíba, with indication of the applied workmethodologies. Other existent technologies are also commented for mechanical dismount ofrocks in surface methods. The performance of the Wirtgen 2200 SM equipment is finallypresented with practical data picked in the operation in João Pessoa indicating the reachedmedium productivity and technical results in comparison to the conventional method with useof explosives.

Key words: Surface miner, slime, quarrying

INTRODUÇÃO

O desmonte mecânico de rochas com o uso de mineradores de superfície pode ser aplicadonos setores de mineração, escavação de terra e construção civil. O uso de mineradores desuperfície na mineração permite o desmonte de rochas sem o emprego de explosivos,possibilitando a mineração em locais próximos a zonas urbanas. Essa tecnologia aplica-sena mineração seletiva de camadas delgadas ou inclinadas produzindo fragmentos de rochade pequeno tamanho. Nas operações de escavação de terra obtêm-se taludes precisos eestáveis no corte de estradas, túneis, trincheiras, rampas, etc (Wirtgen, 2002).

Os principais benefícios alcançados na utilização de mineradores de superfície emmineração estão relacionados com a substituição das operações de perfuração, detonação,carregamento e britagem primária pela operação de corte, que traz as seguintes vantagens:

• aumento da capacidade total do sistema• redução no custo operacional• várias operações executadas por um único equipamento possibilitando uma

coordenação, planejamento, despacho e manutenção mais fáceis.

PRINCIPAIS APLICAÇÕES

As principais aplicações já testadas para os mineradores de superfície, que apresentaramum bom desempenho técnico e econômico são (Wirtgen, 2002):

1. Mineração seletiva de camadas delgadas ou perturbadas devido ao controle precisoda altura de corte para produção de carvão, fosfato e gipsita. Pode ser aplicadotambém no decapeamento de coberturas não plásticas.

2. Explotação de material e cominuição sem necessidade de explosivos evitandoproblemas de vibrações, lançamento de rochas (“fly rock”) e reduzindo o pó e poeiraoriundos das detonações. Partículas de pequena granulometria são obtidasdiretamente no corte não sendo necessária a britagem primária, o material sendoposteriormente transportado através de correias.

3. Possibilidade de corte preciso de trincheiras, superfícies e rampas em calcáreo,granito intensamente fraturado e outros materiais de resistência média a alta semnecessidade de detonação, permitindo a obtenção de superfícies estáveis e com osperfis projetados. A granulometria fina do material cortado permite o seu empregocomo cascalho.

4. Na reabilitação de estradas pode-se usar o equipamento para manter a superfície deestradas existentes sobre rochas virgens em cavas a céu aberto ou subterrâneas.Como a superfície gerada é bastante plana e estável permite tráfego intenso, altavelocidade de translado, redução no consumo de pneus e combustível e melhorianas condições de segurança.

PROPRIEDADES FÍSICAS DAS ROCHAS

A performance do equipamento, consumo de ferramentas de corte e a operação econômicados mineradores de superfície são afetadas significativamente pelas propriedadesmecânicas da rocha a ser cortada. As principais propriedades mecânicas que afetam aperformance do corte são:

• Resistência a compressão uniaxial e resistência à tração• Abrasividade• Estrutura da rocha (número, distância e direção das fraturas)• Plasticidade da rocha

Em geral os mineradores são capazes de cortar rochas com resistência à compressãosimples entre 10 e 80 MPa e em certas circunstâncias (material altamente fraturado) atémesmo material mais rígido pode ser cortado economicamente.

O quadro abaixo, obtido junto a um fabricante de equipamentos, dá uma idéia inicial sobre orendimento possível de ser obtido no corte com diferentes modelos de minerador desuperfície (Wirtgen, 2002).

Potência Largura Branda Rija Muito rija

600 kW 2,20 m

790 kW 2,50 m

1.195 kW 3,70 m

1.195 kW 4,20 m

Gráfico 1) Rendimentos no corte com mineradores de superfície Wirtgen

Densidade: 1,3 t/m³ para óc = 10 MPa2,5 t/m³ para óc entre 50 e 80 MPa

MINERADORES DE SUPERFÍCIE

Atualmente existem quatro grandes fabricantes de mineradores de superfície no mundo,com equipamentos em operação comercial em diversas aplicações em rochas de resistênciabranda a média tais como fosfato, calcáreo e gipsita (Woof, 2003).

A empresa MAN TAKRAF fabrica o modelo MTS 250, que está em operação noUzbequistão desde 2002 operando em mina de fosfato, possuindo uma potência total de740 kW e capacidade de 500 a 700 ton/h com largura de corte de 3,75 m e profundidade de800 mm (Woof, 2003).

A empresa italiana Bitteli, controlada pela Caterpillar, possui uma grande população demáquinas em operação, em especial nos mercados da Índia e Europa. O modelo SF 202sfabricado pela empresa, está operando com sucesso em minas de calcáreo da Índia nosúltimos três anos alcançando produções da ordem de 220 a 250 ton/h em material com óc =35 MPa, com largura de corte de 2,2 m e profundidade máxima de 600 mm (Woof, 2003).

A Wirtgen alemã é a líder mundial no mercado de mineradores de superfície produzindo 4modelos de série com bits convencionais e comando mecânico do tambor de corte. Osmodelos têm peso na faixa de 48 a 191 ton com motores de 600 a 1.195 kW de potência,permitindo larguras de corte entre 2,2 e 4,2 m e profundidades máximas entre 300 e 800mm. Esses equipamentos mostram grande viabilidade econômica no corte de calcáreo,fosfato e carvão (Woof, 2003).

A empresa americana Vermeer está desenvolvendo os modelos Terrain Leveler T 1255 de100 ton e T 1055, cuja tecnologia baseia-se nos tradicionais modelos de abertura detrincheiras da empresa. Por utilizar a tecnologia de corte tipo “top-down”, os cortadorespossuem grande penetração nas rochas com resistência até 130 Mpa (Woof, 2003). Existemhoje cerca de 9 unidades em operação nos Estados Unidos em diversas condições demineração, em especial na lavra de gipsita, calcáreo e decapeamento de coberturascompetentes. Em aplicação em calcáreo na República Dominicana o modelo T 1255apresentou taxas de produção da ordem de 300 a 400 ton/h, com larguras de corte entre 3,4a 3,7 m e profundidade máxima de 610 mm (WME, 2003).

CARACTERÍSTICAS DO MINERADOR DE SUPERFÍCIE WIRTGEN 2200 SM

Na lavra de calcáreo em João Pessoa – PB, na Mina da Graça, pertencente ao grupoCIMPOR está sendo utilizado um minerador de superfície marca Wirtgen modelo 2200 SM,em operação desde o ano de 2003 e com resultados bastante animadores em termos deprodutividade, custos e aspectos ambientais, segundo a empresa mineradora e o fabricantedo equipamento.

Pelas informações da empresa fabricante do equipamento essa é a primeira aplicação emescala industrial na América do Sul. O minerador de superfície 2200 SM é projetado paralavra de minerais industriais e foi selecionado para explotação de calcáreo na zona urbanadevido as seguintes razões:

• A lavra é executada muito próximo a prédios residenciais (cerca de 300 m), queestariam sujeitos aos transtornos decorrentes das vibrações e ruídos gerados nasdetonações.

• O uso de explosivos é proibitivo também devido ao risco de lançamento defragmentos de rocha (“fly rock”) que poderiam atingir a área habitada próxima a cava.

• Haja visto a granulometria obtida no corte com o minerador de superfície pode-sedispensar a britagem primária, a qual era realizada por um britador móvel demartelos, de alto custo operacional e que já estava obsoleto e necessitandosubstituição.

• A produtividade projetada do equipamento, e efetivamente obtida nos testes deoperação, mostrou-se compatível com os níveis de produção desejados pelomercado consumidor da matéria-prima explotada na mina.

Os principais componentes do minerador de superfície Wirtgen 2200 SM pode servisualizado na figura 1 a seguir, onde são mostrados os principais constituintes doequipamento. Entre esses se destacam os seguintes dispositivos:

• Motor diesel: transmite a potência ao tambor de corte através de correias em V epossibilita a operação sem necessidade de fonte de energia externa.

• Tambor de corte: localizado no centro da máquina entre as quatro esteiras, perto docentro de gravidade. O peso da máquina pode assim ser convertido em força decorte.

• Controle da profundidade de corte: dispositivo de ajuste automático da profundidadede corte regulada por um sistema de nível montado na máquina. A profundidadepode ser pré-selecionada e mantida automaticamente ou pode ser ajustadamanualmente.

• Esteiras: dispositivo para movimentação do equipamento em número de quatro,ajustáveis na altura e com velocidade variável.

Figura 1) Componentes do minerador de superfície (Manual de produção, Wirtgen, 2002)

A minerador Wirtgen 2200 SM basicamente consiste de uma máquina a diesel montadasobre 2 conjuntos de esteiras, possuindo em sua parte inferior um tambor rotativo com 76ponteiras responsáveis pela fragmentação da rocha, que pode ser alçada por um sistema decorreias transportadoras montadas em uma lança instalada em sua parte frontal,dependendo do método de trabalho utilizado.

Possui ainda um sistema de circulação de água, que faz passar a água pelo tambor e pelacorreia transportadora, de modo a evitar o levantamento de poeiras.

O princípio de operação do equipamento é o da mineração contínua com desmontemecânico do material. Durante o translado do equipamento, um tambor rotativo, equipadocom bits de carbeto de tungstênio, que executa a operação de corte e cominuição domaterial até um tamanho compatível com correias transportadoras. O tambor opera comdireção de corte para cima (“upward direction”). As ferramentas de corte são montadas notambor de corte na forma helicoidal e impulsionam o material para o centro do tambor emsua parte posterior onde o mesmo é transportado para a correia de descarga através deuma correia transportadora primária, conforme pode ser visto na figura 2 (Wirtgen, 2002).

Figura 2) Princípio de operação do Surface Miner (Manual de produção, Wirtgen, 2002)

MÉTODOS DE OPERAÇÃO

Modo de colheita – método das fatias (Harvesting Mode – Slice Method)

Nesse método o minerador de superfície Wirtgen opera num determinado campo detrabalho e corta continuamente o material em fatias paralelas com formato elíptico eprofundidade de corte pré-definida. Na parte central do campo de explotação sãoexecutados cortes paralelos retilíneos conforme mostra a figura 3.

Figura 3) Método das fatias (Manual de produção, Wirtgen, 2002)

Operação em blocos com corte de rampas (Block operation with ramps cutting)

Esse método é utilizado para integrar o minerador de superfície a minas já existentes queusaram operações convencionais de perfuração e detonação em bancadas, conforme podeser visualizado na figura 4.

Figura 4) Operação em blocos com corte de rampas (Manual de produção, Wirtgen, 2002)

Enquanto está cortando o bloco até o nível planejado o minerador também corta a suaprópria rampa. Após completar o corte do primeiro bloco, o próximo bloco pode ser iniciadoadjacente ao primeiro. Como a movimentação entre bancadas adjacentes é difícil econsome muito tempo recomenda-se a aplicação de duas alternativas de operação:

1 Girar a máquina em uma área apropriada fora da rampa (essa área será mineradaapós, junto com a bancada).

2 Reverter a máquina após terminar o primeiro corte e reposicioná-la no corte adjacente.

Operação em cortes paralelos (open cut)

A operação tipo “open cut” é observada na figura 5. Dependendo do comprimento e largurado corte o minerador de superfície pode girar no final de cada corte ou voltar vazio ecomeçar o próximo corte no mesmo lado da área como no corte prévio.

Figura 5) Seqüência de cortes paralelos (Manual de produção, Wirtgen, 2002)

CONDIÇÕES DE OPERAÇÃO DOS MINERADORES WIRTGEN

Para realizar o giro em raios pequenos o tambor de corte deve ser elevado, deixando decortar. Para um giro em raios maiores pode-se deixar o tambor cortando simultaneamente.Como regra geral o raio de giro dever ser maior que 12 vezes a largura de corte.

O raio de giro que pode ser aplicado depende entre outros fatores do material que estásendo minerado e profundidade de corte. Quanto mais resistente o material menor deve sera profundidade de corte.

Os equipamentos possuem habilidade para realizar o corte com inclinações transversal elongitudinal. O limite de inclinação transversal é de cerca de 8% enquanto que a inclinaçãolongitudinal pode chegar a 20%. O corte em condições inclinadas reduz a capacidade deprodução do minerador, dependendo do grau de inclinação e material minerado.

A produtividade do minerador também depende do comprimento da área de trabalho.Quanto maior o comprimento de corte maior é a produtividade pois se reduz o tempo gastoem manobras de um corte para outro. A velocidade de corte depende principalmente daprofundidade deste, resistência e estrutura do material, tipo de equipamento e potênciainstalada. O gráfico 2 apresenta o comportamento da produção efetiva em relação aocomprimento do corte. Em operações padrão a área de corte mínima deve ser de 100 mpara materiais rígidos (pequena velocidade de avanço) até 300 m para materiais brandos(alta velocidade de translado).

PR

OD

UÇ

ÃO

EFE

TIV

A

COMPRIMENTO DO CAMPO DE EXPLOTAÇÃO

Gráfico 2) Estimativa de produção x comprimento (Manual de produção, Wirtgen, 2002)

A performance de corte do minerador de superfície também é afetada significativamentepelos seguintes parâmetros da máquina:

• Tipo de ferramenta de corte (bits)• Tipo de apoio da ferramenta de corte• Número de bits no tambor rotativo (espaçamento)• Ângulo de ataque das ferramentas• Velocidade de rotação do tambor de corte• Profundidade de corte• Velocidade de avanço da máquina

MÉTODOS DE CARREGAMENTO DO MATERIAL DESMONTADO

As opções de carregamento do material desmontado pelo minerador de superfície Wirtgen2200 SM pode ser através do carregamento direto de caminhões com o uso de correiatransportadora de descarga ou o carregamento indireto e deposição temporária em pilhas nopiso da cava.

A figura 6 mostra esquematicamente as opções de carregamento possíveis de seremaplicadas na operação do minerador de superfície.

Figura 6) Métodos de carregamento do material (Manual de produção, Wirtgen, 2002)

O carregamento direto de caminhões pode ser observado na figura 7 e apresenta avantagem de não exigir a retrabalho do material desmontado mas exige maior área paramanobra dos caminhões, ocorre desgaste da correia de descarga e a produção ficadependente da disponibilidade de caminhões para serem carregados.

Figura 7) Carregamento direto de caminhões – método frontal

O carregamento indireto lateral, como mostrado na figura 8, pode ser usado para blendarmaterial na própria cava, formar estoques de minério na mina e não precisa esperar apresença de caminhões para produção. Entretanto a produção limita-se a 3 ou 5 cortes decada lado da pilha formada, o material tem de ser retrabalhado por uma máquina decarregamento convencional e o material tende a absorver água quando depositado no pisoda cava.

Carregamento diretode caminhões

Carregamentoindireto

Frontal(front)

Lateral(rear)

Posterior(windrow)

Lateral(sidecast)

Figura 8) Carregamento indireto – método lateral

No carregamento através do método windrow (posterior), como mostrado na figura 9,também não se necessita de caminhões para produção, as taxas de produção são maioresdo que com o uso de correias, o material pode ser mais graúdo e possibilita uma melhorseletividade em camadas inclinadas. Entretanto necessita de grandes áreas de explotação,o material tem de ser retrabalhado por uma pá-carregadeira ou “scrapper” e também tende aabsorver água quando depositado no piso da cava.

Figura 9) Carregamento indireto – método windrow

DADOS TÉCNICOS DO MINERADOR DE SUPERFÍCIE WIRTGEN 2200 SM

Os dados técnicos apresentados a seguir correspondem ao equipamento atualmente emuso na mineração de calcáreo na Mina da Graça em João Pessoa - PB e foram retirados domanual Wirtgen Surface Mining, edição 2002.

Largura de corte máxima 2.200 mmProfundidade de corte 0 – 350 mmDiâmetro do tambor de corte com ferramentas 1.140 mmInclinação máxima do tambor de corte 5°Motor Caterpillar 3412EPotência 800 HPConsumo de combustível carregado 150 lt/hVelocidade de translado 0 – 5 km/hPeso bruto da máquina 44.500 kgLargura das correias 1.100 mmCapacidade de descarga das correias 668 m³/h

Figura 10) Dimensões do minerador de superfície Wirtgen 2200 SM

PERFORMANCE OBTIDA NA OPERAÇÃO EM JOÃO PESSOA – PB

Os dados obtidos junto as empresas CIMEPAR e GEOFOCUS que estão operando ominerador de superfície Wirtgen 2200 SM na Mina da Graça (calcáreo) em João Pessoa -PB indicam uma excelente produtividade do equipamento, obtendo-se em decorrênciacustos unitários reduzidos quando comparados ao desmonte convencional com emprego deexplosivos.

Os dados de testes de operação indicam uma eficiência do equipamento da ordem de 85%,eficiência operacional de 80% e eficiência total de 70%. Como exemplo pode-se citar oteste 2 onde foram programadas 74,33 h de operação tendo-se obtido no final 51,89 hefetivas de corte, 10,77 h de paradas para manutenção e 11,68 h de paradas operacionais.A produção obtida no teste foi de 14.270 m³ o que nos fornece uma performance de corte de275 m³/h e uma produção efetiva de 431,96 ton/h. O material lavrado apresenta em médiauma resistência à compressão de 20 MPa e resistência à tração de 1,50 MPa (ensaiosrealizados na Universidade Federal de Pernambuco).

Nos testes de operação na Mina da Graça foram utilizados os métodos de carregamentodireto de caminhões, carregamento indireto lateral (sidecast – figura 11) e carregamentoindireto posterior (windrow – figura 12) tendo-se obtido a melhor performance com a últimaalternativa. Com esse tipo de carregamento tem-se uma produtividade média de cerca de450 ton/h no corte. Entretanto existe a necessidade de posterior carregamento do materialdesmontado por pá-carregadeira e transporte por caminhões.

Figura 11) Minerador 2200 SM operando em modo sidecast durante testes na Mina da Graça

Figura 12) Minerador 2200 SM operando no modo Windrow durante testes na Mina da Graça

Além da vantagem econômica, o emprego desse equipamento vem viabilizando a operaçãoem áreas anteriormente problemáticas em função da proximidade de habitações, queimpediam o uso de explosivos. Dessa forma é possível aumentar-se consideravelmente asreservas explotáveis, a um custo extremamente competitivo.

CONCLUSÕES

Os resultados obtidos na operação do minerador de superfície Wirtgen 2200 SM em JoãoPessoa – PB mostram sua viabilidade técnica e econômica no desmonte de rochas brandas(calcáreo) em zonas urbanas.

A utilização do minerador de superfície possibilitou a explotação de material em condiçõescríticas para o emprego de desmonte convencional com explosivos em função daproximidade de habitações e mostrou ser uma ótima opção de lavra nessas condições, pararochas de baixa resistência mecânica.

Pode-se estimar uma produtividade média de cerca de 450 ton/h para o minerador Wirtgen2200 SM nessas condições de mineração, com uma eficiência operacional da ordem de70%, sendo esses valores compatíveis com os dados fornecidos pela empresa fabricante doequipamento. Esses valores são válidos para o material desmontado (calcáreo) com osseguintes parâmetros de resistência mecânica: resistência à compressão uniaxial de 20MPa e resistência à tração diametral de 1,50 MPa.

Essa produtividade é obtida com o método de carregamento tipo Windrow necessitando queo material cortado pelo minerador seja posteriormente retrabalhado por pá carregadeira etransportado até a indústria por meio de caminhões.

AGRADECIMENTOS

Os autores agradecem a empresa CIBER, representante nacional do Grupo Wirtgen, peloapoio e fornecimento dos manuais de produção e dados técnicos do minerador 2200 SM eas empresas CIMEPAR e GEOFOCUS pela disponibilização dos dados de operação namina de calcáreo da Graça em João Pessoa - PB .

BIBLIOGRAFIA

Wirtgen. (2002) Surface Mining Manual. Edition 2002. 50 pp.

Woof, M. (2003) Surface cuts. World Mining Equipment, vol 27 n° 10. pp 35 – 38.

Woof, M. (2003). MAN for all seasons. World Mining Equipment, vol 27 n° 7. pp 26 – 28.

WME (2003). World Mining Equipment, vol 27, n° 1. pp 2