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“ELABORAÇÃO DE CARTAS GEOTÉCNICAS PARA

OPERACIONALIZAÇÃO DE CAVAS E PLANOS SEQUENCIAIS “

ESTUDO DE CASO – MINA DE CARVÃO DE

EL HATILLO - COLÔMBIA

Autores:

Cristiano Souza - GALCF

Felipe Uribe - SUGEC

Marisa Rangel - GALCF

Luciano Pohl - GEPDS

Geotecnia El Hatillo

Agenda

i. Objetivo, premissas e dificuldades;

ii. Aspectos geográficos;

iii. Geologia – Corredor de El Hatillo;

iv. Estudos geotécnicos:

- Programa de investigação geotécnica;

- Programa de ensaios laboratoriais;

- Modelo geomecânico, parametrização e modelos de cálculo;

- Resultados : Cartas geotécnicas, setorização e seções típicas.

v. Operacionalização da cava;

vi. Considerações finais.


Objetivos, premissas e dificuldades

Objetivo:

- Elaborar cartas geotécnicas para o dimensionamento da cava;

- Viabilizar a operacionalização e o sequenciamento da cava.

Premissas e dificuldades:

- Respeitar não apenas o

ângulo global dos Taludes

anteriormente definido para a

geração da cava matemática,

mas também o detalhamento

geométrico da mesma, banco

a banco;


Premissas e dificuldades:

- O ângulo de face do banco deve ser paralelo ao acamamento, evitando cortar

os mantos de carvão ou o plano dominante de estratigrafia;

- A calibração do modelo de cálculo para o dimensionamento dos bancos deu-se

a partir da observação de campo e por retroanálises de eventos instáveis;

- O desenvolvimento longitudinal de um determinado banco deve sempre que

possível acompanhar a direção das camadas (i.e. strike), evitando desta forma,

alternar ou cruzar a estratigrafia ao longo da escavação deste talude. Caso não

seja possível, mudanças ortogonais devem ser projetadas.

Objetivos, premissas e dificuldades


Aspectos geográficos

- A Mina de Carvão de El Hatillo foi adquirida pela VALE em 2009, antes de

propriedade da Empresa Mineradora ARGOS;

- O limite de concessão é de 9.638 hectares.

- Localiza-se à 1.100 km

a nordeste de Bogotá,

capital da Colômbia,

dentro do departamento

de Cesar, jurisdição do

município de El Passo,

pertencente à cidade de

La Loma.


Geologia – Corredor El Hatillo

Geologia regional:

- Três grandes estruturas de dobramentos regionais podem ser identificadas,

sendo os Sinclinais Del Descanso, La Loma e El Boquerón, estando estas,

separadas por falhas reversas de direção NE-SW;

- Estas grandes dobras se caracterizam como as estruturas de interesse, sendo

o sinclinal de La Loma a dobra que se situa dentro dos limites da área de estudo;

- O topo deste sinclinal é que é considerado o ponto de interesse para a

exploração de carvão.


Geologia regional:

Corredor El Hatillo



Modelo estratigráfico:

O modelo estratigráfico pode simplificadamente ser separado em duas

Formações Geológicas (Formação Cuesta e Formação Cuervos). A

Formação Cuesta formada por solos sedimentares localiza-se sobre a

Formação Cuervos que engloba os mantos de carvão e as intercalações

de Arenitos, Siltitos e Argilitos.

A campanha de prospecção da VALE identificou 69 mantos de carvão em

toda a propriedade, e deu-lhes nomes numéricos que variam de 80 (no

ponto mais baixo) a 310 (no ponto mais alto). Destes 69 mantos, 19 são

considerados pela VALE como economicamente explorável, por questões

de qualidade e geometria (> 0,5m de espessura).



Modelo estratigráfico:

Nomenclatura adotada para definição geométrica:

- Footwall - Talude de Lapa;


- Highwall - Talude de Capa;

- Endwall - Talude de fechamento.


Estudos geotécnicos

Programa de investigação geotécnica:

- A definição da escala do mapeamento foi definida com base na litologia mais evidente

e a partir da adoção de determinados critérios estruturais;

- O número e a extensão das “janelas” de mapeamento relacionam-se diretamente com

o grau de heterogeneidade e estruturação do maciço rochoso e com o grau de precisão;

- Em respeito à estas premissas foram definidas 221 janelas de mapeamento com

dimensões de 20x16m, distribuídas no Talude de Capa, Talude de Fechamento e no

Talude de Abertura do Pit, com um levantamento global de 3.400 estruturas;

- A estrutura do maciço rochoso que define as intercalações (“interburden”) consiste em

acamamentos cruzados compostos massivamente por arenitos sobrepostos por finas

camadas de siltitos e argilitos medianamente alterados.



Parameter Weight Description consideredRock Mass Rating System

(After Bieniawski 1989)Rating

1 < 20 mm

2 20 - 60 mm

3 60 - 200 mm 60 - 200 mm 8

4 200 - 600 mm 200 - 600 mm 10

5 600 - 2000 mm 0.6 - 2.0 m 15

1 < 1m < 1m 6

2 1 - 3 m 1 - 3 m 4

3 3 - 10 m 3 - 10 m 2

4 10 - 20 m 10 - 20 m 1

5 > 20 m > 20 m 0

1 < 1 mm 0.1 - 1 mm 4

2 1 - 3 mm 1 - 5 mm 1

3 3 - 20 mm

4 20 - 100 mm

5 > 100 mm

1 Rough surface, irregular appearance scaled Very rough 6

2 Rough surface, regular appearance scaled Rough 5

3 Very smooth scaled surface

4 Irregular wavy rough surface

5 Undulating smooth surface

6 Very smooth undulating surface

7 Irregular plane surface

8 Smooth plane surface

9 Very smooth plane surface

1 AG (Clay) Soft filling < 5 mm 2

2 CB (Carbonate) Hard filling < 5 mm 4

3 Unfilled None 6

1 Unweathered Unweathered 6

2 Slightly weathered Slightly weathered 5

3 Moderately weathered Moderately weathered 3

4 Highly weathered Highly weathered 1

5 Decomposed Decomposed 0

6 Residual soil - -

Infill

weathering

degree

Spacing

< 60 mm 5

> 5 mm 0

Persistence

Aperture

Infilling

Roughness

Slickensided

Smooth 1

0

Slightly rough 3

Classificação geomecânica do maciço rochoso:

Para classificação do maciço rochoso adotou-se o RMR (Bieniawski, 1989) e o GSI (Hoek

& Brown, 1997) para avaliação do comportamento mecânico do maciço rochoso.

Correlação entre o levantamento de campo e o RMR89

HISTOGRAMAS



Classificação geomecânica do maciço rochoso:

Histogramas das propriedades geomecânicas do maciço rochoso empregues na

determinação do RMR.

Acamamentos

Descontinuidades

0

5

10

15

20

25

30

35

0-10 10-20 20-30 30-40 40-50 50-60 60-70 70-80 80-90 90-100

Rela

tive F

requency (%

)

RQD intervals

RQD - EHCM



Programa de ensaios laboratoriais:

Material Domínio UCS med.

(MPa)

Categoria de

resistência

Arenitos

Siltitos

Argilitos

Intercalações

(“interburden”)

- 32 ensaios -

28.9

17.2

10.8

Médio

Médio

Fraco

Mantos de carvão* Carvão 8.0

Muito Fraco

* Estimado

Material Domínio g med.

(kN/m3)

Arenitos

Siltitos

Argilitos

Intercalações

- 32 ensaios -

24.8

24.7

23.7

Mantos de carvão* Carvão 13.0



Validação dos resultados:

Estimativa dos valores de cálculo – Resistência rocha intacta : UCS (sci)

Elevada dispersão dos

resultados

Cálculo do UCS com base

no valor médio do peso

específico

Definição de um intervalo

de interesse


Domínio Mínimo

(MPa)

Máximo

(MPa)

UCS Calc.

(MPa)

UCS pond.

(MPa)

Arenitos 2.5 101.0 25.0

17.0 Siltitos 3.0 48.0 17.0

Argilitos 2.5 20.0 11.0

Carvão 8.0

Valores obtidos e empregues


Validação dos resultados:

A resistência exibida pelos materiais e contatos segundo a direção dos acamamentos foi

caracterizada de acordo com o critério de ruptura de Mohr-Coulomb, dado pelos seguintes

parâmetros e valores – c’ = 0 kPa e f’ = 20º. Estes valores foram obtidos através de

ensaios de cisalhamento direto executados segundo a direção dos planos de estratigrafia.

Resistência das descontinuidades:



Modelo geomecânico : RMR89 e GSI

O maciço da mina de El Hatillo por ser um maciço de maior heterogeneidade estratigráfica,

exigiu uma abordagem inicial setorizada para sua classificação geomecânica. Após uma

avaliação dos resultados, decidiu-se pela homogeneização dos mesmos, em função da

frequência regular de ocorrência dos litotipos existentes.

Em função da complexa formação geológica e estrutural destes tipos de maciços, a definição

de um modelo geomecânico consistente não é uma tarefa fácil, quando comparados à

maciços menos brandos e mais homogêneos.


Para o dimensionamento dos Taludes da Cava de Carvão de El Hatillo, foram adotadas as

seguintes etapas de estudo, após a caracterização geológico-geomecânica da área da

cava:

i. Definição de setores;

ii. Definição dos mecanismos de instabilidade críticos (nas escalas de bancada, inter-

rampa e global);

iii. Definição dos parâmetros geotécnicos de resistência dos maciços, materiais e

estruturas (acamamentos e descontinuidades);

iv. Definição dos métodos de análise para os mecanismos definidos;

v. Definição dos modelos de cálculos para os mecanismos e setores pré-estabelecidos;

vi. Compatibilizar os resultados das escalas de bancada, inter-rampa e global.


Parametrização:



Parametrização:

Para avaliação do comportamento mecânico do maciço rochoso quando solicitado,

recorreu-se à dois critérios de ruptura – Critério de Hoek & Brown (HB) e Critério de Mohr-

Coulomb (MC), para caracterização da resistência.

Parâmetros de resistência segundo o critério de HB



Parametrização: Parâmetros de resistência segundo o critério de MC

As técnicas de observação do desempenho de taludes existentes e retroanálises foram

aplicáveis para ajudar na definição dos mecanismos, bem como para validar os parâmetros

e os modelos de análises.


- Para além do modelo geomecânico, outra etapa que requereu também um elevado grau

de refinamento técnico foi a elaboração dos modelos geotécnicos de cálculo com vistas à

definição da geometria dos taludes da cava à escala de bancada, inter-rampa e global;


Modelos de cálculo:

- A metodologia utilizada foi a baseada na Teoria de Equilíbrio Limite, a partir da utilização

do programa de cálculo Slide, versão 5.0, da Rocscience;

- Foi adotado o Método de Morgensten-Price para a análise das superfícies de

escorregamento. Este modelo considera na definição do seu diagrama de esforços, a força

normal e tangencial e a resistência interfatias dada por uma função não-linear definida pela

tensão normal e pela resistência ao corte;

- Os modelos foram elaborados conforme o Talude e a escala consideradas.


- Para o Talude de Lapa, os modelos em todos as escalas foram simulados a partir da

adoção de um modelo anisotrópico que considera a resistência do maciço rochoso na

direção oblíqua ao acamamento e a resistência das descontinuidades na direção paralela;


Modelos de cálculo:

- Para a resistência oblíqua adotou-se os parâmetros segundo o critério de Mohr-Coulomb

que melhor se ajustou à envoltória de Hoek & Brown;

- Já para a resistência paralela ao acamamento, adotou-se os resultados obtidos a partir

dos ensaios de cisalhamento direto, anteriormente apresentados;

- O dimensionamento do Talude de Capa, considerou também a estruturação do maciço,

mesmo o mergulho dos acamamentos sendo inverso ao mergulho do Talude. Desta

forma, foi aceitável adotar um modelo de cálculo de resistência homogênea, definida

pelas propriedades resistentes do maciço rochoso.



Modelos de cálculo: Talude de Lapa - “Footwall”

Escala: BANCO

Escala: BANCO

Escala: GLOBAL

Escala: GLOBAL

Modelo anisotrópico de resistência

Muito perturbado Medianamente perturbado

Estes fenômenos de instabilidade na sua maioria traduzem um mecanismo de

ruptura do tipo bi-planar, onde se inicia segundo o plano de estratigrafia e rompe

obliquamente na base do banco. Desta forma, os modelos de cálculo à escala de

bancada foram definidos por forma a possibilitar a ocorrência deste tipo de

mecanismo.



Modelos de cálculo: Talude de Capa - “Highwall”

Escala: BANCO

Escala: BANCO

Escala: INTER-RAMPA

Escala: INTER-RAMPA Escala: GLOBAL



Resultados: Cartas geotécnicas Talude de Lapa - “Footwall”

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

220

240

20 30 40 50 60 70 80

Dep

th (

m)

Dip angle (°)

Section 6

Section 7

Section 8

Section 9

Section 10

Section 11

Section 12

0,0

0,5

1,0

1,5

2,0

2,5

3,0

0 20 40 60 80 100

F.S

.

H (m)

Dimensionamento dos bancos

25°

35°

50°

60°

70°

80°

1.2

1.3

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

220

240

20 30 40 50 60 70 80

De

pth

(m)

Dip angle (°)

Section 6

Section 7

Section 8

Section 9

Section 10

Section 11

Section 12

0

10

20

30

40

50

60

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90

H (

m)

Ângulo de face (°)

Dimensionamento dos bancos

Fs = 1.3

Fs = 1.2

1,10

1,15

1,20

1,25

1,30

1,35

1,40

F.S

.

Dimensionamento global do talude

Z1

Z2

Z3

Z4

Z5

Modelo 1 Modelo 2

Modelo 1: H = 20 m Modelo 2: H = 20 m

L = 15 / 20 m L = 15 / 20 m

Primeiros 3 bancos de 20 m αf // ao acamamento

Rampas intermédias

αf // ao acamamento



Resultados: Cartas geotécnicas

0,0

1,0

2,0

3,0

4,0

5,0

6,0

0 20 40 60 80 100 120

F.S

.

H (m)

Dimensionamento dos bancos 40°

50°

60°

70°

80°

Talude de Capa - “Highwall”

Ângulo de face

0,6

0,8

1,0

1,2

1,4

1,6

1,8

2,0

0 50 100 150 200

F.S

.

H inter-rampa (m)

Dimensionamento inter-rampa

43° (H = 40; α = 50°)

48° (H = 30; α = 60°)

50° (H = 40; α = 60°)

51° (H = 30; α = 65°)

55° (H = 30; α = 70°)

1.2

1.3

INTER-RAMPA - GEOMETRIAS RESULTANTES

Ângulo inter-

rampa (°)

Banco Número de bancos

Ângulo (°) Altura (m)

43° 50 40 4

48° 60 30 3

50° 60 40 3

51° 65 30 3

55° 70 30 2

0,6

0,8

1,0

1,2

1,4

1,6

1,8

2,0

0 50 100 150 200

F.S

.

H inter-rampa (m)

Dimensionamento inter-rampa 43° (H = 40; α = 50°) 48° (H = 30; α = 60°) 50° (H = 40; α = 60°) 51° (H = 30; α = 65°) 55° (H = 30; α = 70°)

1.2

1.3

0,8

1,0

1,2

1,4

35 36 37 38 39 40 41

F.S

.

Ângulo global (°)

Dimensionamento global do talude - Prof. 300 m

(1)

(2)

(3)

(1) Inter-rampa - 60m e bancos intercalados de 15 e 30m





Resultados: Setorização geotécnica e seções típicas


Operacionalização da cava

A operacionalização da cava final de El Hatillo respeitou alguns aspectos adicionais aos

normalmente considerados, quais sejam:

- Respeitar não apenas o ângulo global dos Taludes anteriormente definido para a geração da cava

matemática, mas também o detalhamento geométrico da mesma, banco a banco;

- Para o caso em estudo (EHCM), além das premissas geotécnicas de carácter puramente geométrico,

foi necessário também, respeitar o modelo estratigráfico exibido pela geologia regional;

- Para o estudo de rampas, avaliou-se a posição inicial e final das rampas de acesso da cava, levando-

se em conta a posição da britagem, massas de minério e estéril presas pelas rampas e o número de

“switch-backs”.

O processo de operacionalização originou uma perda de 7% de minério e um

acréscimo de 1% de estéril, resultando em uma relação estéril-minério (REM) de

aproximadamente 9,5 (m3/ton).


Considerações finais

Relativamente aos estudos paramétricos efetuados com o objetivo de se construir cartas

geotécnicas que possam auxiliar a engenharia de curto e longo prazo na condução e

operacionalização da mina, respectivamente, algumas conclusões merecem ser destacadas:

i. O modelo estratigráfico regional condicionou a elaboração dos modelos de cálculo, bem como

os resultados obtidos;

ii. O mesmo modelo, influenciou ainda, na geometria global do Talude de Lapa, uma vez que os

bancos que o compõem foram projetados com geometrias variáveis;

iii. A adoção de modelos anisotrópicos para a simulação do comportamento mecânico do maciço

rochoso quando escavado, permitiu obter resultados numéricos bastante compatíveis com o

que se tem observado em campo;

iv. O Talude de Capa apresentou resultados bastante coerentes com o observado em campo,

mesmo adotando um modelo homogêneo isotrópico;

v. O presente trabalho, mesmo tendo que atender todas as restrições geológicas, geotécnicas e

operacionais que uma mina de carvão apresenta, teve como resultado final um cenário técnico-

econômico dentro do que se previa e pretendia.

MUITO OBRIGADO

MUITO OBRIGADO

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