escavações subterrâneas - apostila min225

DEMIN/EM/UFOP

MIN 225

Estabilidade de Escavações

Subterrâneas

Prof José Margarida da Silva

Setembro/2007

ABERTURAS SUBTERRÂNEAS

COM DESENVOLVIMENTO LINEAR

• 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 pilaresdesmonte com o avanço de aberturas paralelas,convenientemente espaçadas, deixando-se porções dominério para formar pilares, de dimensões e formasadequadas, que limitam os vãos das aberturas epromovem a sustentação do teto.

• Enchimentoà medida que o material útil vai sendo extraído, o vazioformado é preenchido com outro material, de forma apromover a sustentação do teto. O desmonte da face éintegral e a frente se desloca paralelamente a simesma, sendo acompanhada a certa distância peloenchimento. O teto na frente de trabalho énormalmente sustentado com estruturas apropriadaspara evitar a eventual queda de blocos mais ou menossoltos ("chocos").


• abatimento controlado do tetocom o avanço da frente de lavra, em vez

de se processar a sustentação com oenchimento, provoca-se o seudesabamento, a uma distânciacontrolada da frente, dissipando-separte da energia armazenada nomaciço. Além disto, a rocha desabadaempola, o que inibe a propagação doabatimento, a partir do momento emque os blocos começam a exercerreações apreciáveis sobre o teto,favorecendo a sua sustentação.

Escavações Subterrâneas

DEMIN/EM/UFOP

MIN 225


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 respondequando 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 formasgeométricas 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 processam-se, em grande parte, ao longo do tempo.


• 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.


• 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.

TerminologiaEstrutura

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

• 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


Subterrâneas


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


• Abandono de pilares

• Enchimento

• Abatimento controlado do teto

• desmonte comavanço de aberturasparalelas,convenientementeespaçadas,deixando-se porçõesdo minério paraformar pilares, dedimensões e formasadequadas, quelimitam os vãos dasaberturas epromovem asustentação do teto.

à medida que o materialútil vai sendo extraído, ovazio formado épreenchido com outromaterial, de forma apromover a sustentação doteto. O desmonte da face éintegral, sendoacompanhada a distânciapelo enchimento. O teto nafrente de trabalho énormalmente sustentadocom estruturasapropriadas para evitar aeventual queda de blocosmais ou menos soltos("chocos").

com o avanço da frente delavra, em vez de seprocessar a sustentaçãocom enchimento, provoca-se o seu desabamento, auma distância controladada frente, dissipando-separte da energiaarmazenada no maciço.Além disto, a rochadesabada empola, o queinibe a propagação doabatimento, a partir domomento em que osblocos começam a exercerreações apreciáveis sobreo teto, favorecendo a suasustentação.

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

infra-estrutura,

disponibilidade de insumos, proximidades

do mercado etc.

Gastos Proteção ambiental

Escolha de projetos industriais

Os investimentos e custos associados às operações de prevenção, controle, mitigação e restauração

Estudo de viabilidade.

IntroduçãoMineração

Conflitos inevitáveis

Centros urbanos ou a outros recursos naturais

considerados à época e local de interesse pela

sociedade.

bens minerais dos ecossistemas

extrair, processar e utilizar esses bens

Distúrbio no meio ambiente

Terra

Água

Ar

Introdução

Topografia

Clima

Proximidade dos centros urbanos

Áreas de proteção ambiental

Métodos de extração e beneficiamento

Intensidade dos impactos

Natureza mineralógica do depósito

QUALIDADE DO MEIO AMBIENTE

Introdução

Prevenção

Restauração

Controle

Aceitáveis

Gerar incômodos

erosão

poluição da água e ar, poluição sonora,

vibrações no solo,

emissão de ondas de choque, alterações

da paisagem, desmatamento, etc.

Introdução

Proteção ambiental

Papel do governo

Desenvolvimento econômico

Locais e de curto prazo

Nacionais e longo prazo

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 SUSTENTÁVELSustentabilidade

ambiental

DEGRADAÇÃO DO TERRENO

Mineração a céu aberto

Mineração subterrânea

Modifica o terreno

Chave Recuperação

ExtraçãoBeneficiamentoDeposição de rejeitos

Bem mineral não retorna ao local circulação servindo ao homem e as suas necessidades

DESENVOLVIMENTO SUSTENTÁVEL

Projeto inicial

• È necessário que os custos de controle de poluição sejam incorporados

às despesas concernentes do empreendimento

– Medidas de controle de poluição

– Desenvolvimento de tecnologia

Poluição

processamento de minério ineficiente

lavra ambiciosa,

quando a deposição de rejeitos é feita sem a possibilidade de

aproveitamento futuro.

Desperdício

Desenvolvimento sustentável

Impacto ambiental

• Alteração das propriedades físicas,

químicas e biológicas do meio ambiente

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

Matéria ou energia resultantes das atividades humanas

Direta ou indiretamente

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.

Retorno do sítio degradado a uma forma de

utilização(plano preestabelecido)

estabilidade do meio ambiente.

Artigo 1oOs empreendimentos à exploração de recursos minerais

Plano de recuperação de área degrada (PRAD)

EIA e do RIMA submeter

Artigo 3oRecuperação objetiva

Legislação

• Exercício da atividade mineradora no País

riscos resultantes da lavra

Plano de recuperação de área degrada (PRAD)

EIA

Licenciamento ambiental

Aprovado

Outorgado a licença

Aprova o PRAD

Contempla o uso futuro

Após o fechamento da mina


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

para o uso do solo”. Condição estável com os valores ambientais, estéticos e sociais.

Sítio degradado terá condições mínimas de estabelecer um novo solo e uma

nova paisagem


degradadas

Recuperação processo lento

Componentes bióticos e o ambiente equilíbrio.

planejamento do projeto mineiro

muito tempo após o término da lavra

Fechamento de mina

PLANEJAMENTO Gestão ambiental

Ciclo de vida da minaExploraçãoDevolução da área reabilitada ou restaurada

Antecipo os impactos

Minimizo os custos e investimentos

Aumento a eficiência

Fechamento de mina

PLANEJAMENTO

Prevenção e proteção Controle e monitoramento

Remediação e restauraçãoDesativação e fechamento

Fechamento de mina

• Mineração de carvão

– extensão da área minerada

• Minimização do o impacto ambiental advindo da

remoção do capeamento para exposição de

camadas

Exemplos

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

• Impactos de natureza irreversível

• Caráter temporário da atividade mineral

• Rigidez locacional

• Competição com outros usos potenciais

• Competição com outros recursos naturais

Interface econômica e social com a

Problemas e desafios

Empresarial desativação conseqüência

Fechamento de mina

Avaliado pelo DNPM

Plano de fechamento

Certidão

Condições de entorno

Estabelece uso futuro da área

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 nãoinertes contaminar o lençol freático;

– pelo bombeamento de água com carga sólidaou solúvel para rebaixamento do lençolfreático nos cursos d’água;

– pelo turbilhonamento de aluviões ns operaçãode dragagem

– pelo lançamento de esgotos sanitários eóleos das oficinas.

Impacto sobre as águas

Uso impróprio ou

mal planejado

• comprometimento da disponibilidade

•Aumento dos custos

•Problemas com usuários

•Transgressão a lei

Indicadores na qualidade das

águas

• sólidos sedimentáveis

•Turbidez

•Sólidos dissolvidos

•pH

•Outros fatores (oxigênio, oleos, graxas

1)Interferência na dinâmica hídrica

2)Interferência na qualidade


Tabela: Impactos clássicos sobre a qualidade das águas nas diversas fases de

um empreendimento mineiro.

PESQUISA MINERAL

Tipo Causa do impacto Parâmetro gerador

Sondagem rotativa ou

percussão

Arraste, por água pluvial,

de partículas finas das

estradas e pátios de

trabalho.

Incremento de turbidez e

de sólidos sedimentáveis

Sondagem e

amostragem de grandes

volumes por dragas

Revolvimento e

turbilhonamento de áreas

alagadas e leitos de

curso d’água

Impacto sobre as águasLAVRA

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 águasBENEFICIAMENTO

Tipo Causa do impacto Parâmetro gerador

Classificação, cominuição e

cata manual

Carreamento do rejeito por

água pluvial

Incremento na turbidez e nos

sólidos sedimentáveis. Outros

compostos dependem da

mineralogia

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

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 epartículas sólidas na mina e unidades de beneficiamento



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.


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



Reciclagem e Operacionalização dos Sistemas e Programas de

Manutenção de Equipamentos

•O Melhor controle ambiental, é a reciclagem de resíduos e de efluentes.

Monitoramento


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, pelaação de perfuração, escavação, britagem, peneiramento e pontos detransferência.

– Varrição seca de pátios, oficinas, depósitos e outras áreas.

– Formação e emissão de poeiras em pontos de carga e descarga.

– Ruído e vibrações do desmonte de rochas.

– Geração de gases e odores pela combustão espontânea nas pilhasde 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

Métodos de controle de poluição do ar

• Identificação dos poluidores

•Caracterização das fontes

Impacto sobre o Ar

Área de influência

Planejamento e Implantação de medidas de controle


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


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


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

Impacto sobre o Ar

4) Utilização de equipamentos despoluidores


5) Ação sobre fontes emissoras

• Seleção e adequação: combustível, métodos de trabalho

Impacto sobre o Ar

6) Cinturão verde

• Reduz o impacto visual

• Redução da poluição

7) Coberturas de pilhas susceptíveis a combustão estantânea

Monitoramento

Mineração

Impacto sobre solo

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

Formas de controle preventivo

Impacto sobre solo

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 de bota-foras evitando

utilização de áreas mais nobres

Mineração

Impactos sócio-econômicos

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

Mineração

Impactos sócio-econômicos

Sobre o modo de vida da comunidade

Sobre o patrimônio cultural

Sobre a ocupação do solo


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

para o uso do solo”. Condição estável valores ambientais, estéticos e sociais

Sítio degradado terá condições mínimas de estabelecer um novo solo e uma

nova paisagem


degradadas

Recuperação processo lento

Componentes bióticos e o ambiente equilíbrio.

planejamento do projeto mineiro

muito tempo após o término da lavra


degradadas• Diagnósticos

– Físicos como: • topografia,

• geologia,

• solos,

• rede hidrográfica,

• paisagem;

– Biológicos• flora e fauna

– Sócio-econômicos da região

Objetivos pretendidos

Plano de recuperação


degradadas• Metas e objetivos

– A curto 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.

– A médio prazo

– 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.


degradadas1) 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


degradadas2) 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


degradadas3) 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


degradadas4) Preparação do solo

Aração do terreno ou

revolvimento

Melhor descompactação

superficial

Operações de

gradagem

Semeadura


degradadas5) Re-vegetação

Re-implantação de vegetais

na área

• 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.

Escolha da vegetação

6) Manutenção


degradadasUso da área recuperada

• técnicas e práticas

Degradar novamente

• Promover a recuperação ambiental

• Obtenção de um novo nível ecológico

Novo uso da área

• Considerados os aspectos locais e as características de cada região


degradadasEconomia 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.


degradadasEconomia 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


degradadasPassivo ambiental

• Dívidas e obrigações de empresas, ou dos agentes econômicos de

contraídas com a coletividade de uma determinada região.

Economia ambiental

Como defini-lo ?

Qual o período de tempo a ser analisado?

Quem são os responsáveis pela sua

existência?

Quem deve pagar por este passivo? ?



• Mineração sem planejamento

Economia ambiental

•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



• Garimpos

Economia ambiental

• Valorização do passivo ambiental e com a definição de

responsabilidades.


degradadasPlanejamento 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


degradadasCertificação

Necessidade de se estabelecer uma linha de conduta que possibilite

conduzução suas atividades, de maneira mais eficiente e

ambientalmente responsável.

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

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


degradadasCertificação

Desenvolvimento sustentável na mineração

Significa garantir que os impactos inerentes da mineração,

(implantação, operação e fechamento

Produzam efeitos assimiláveis pelo ambiente

Exemplos Ouro - Impactos

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


Subterrâneas – MIN 225


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

IntroduçãoA 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 subterrâneaspodem:

• 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 ambientalproduzido 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 - podeocasionar formação de águas ácidas,pela oxidação dos sulfetos; estaságuas devem ser tratadas eneutralizadas (aumento do pH),antes de serem lançadas ao meioambiente.

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.

= ângulo de máxima influência

Subsidência contínua para camada horizontal

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 críticaPeng (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• 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. 721-750. 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


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 <obsis.unb.br>,acesso em 01/2009

http://www.nrcan.gc.ca/

DEMIN/EM/UFOP

MIN 225


Subterrâneas


Abril/2009

Sustentação de Escavações Subterrâneas

Sumário

• Definições e terminologia

• Generalidades

• Papel do Suporte

• Projeto de Suporte

• Histórico

• Classificação de Estruturas

• Curva característica

• Materiais


• “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.


• 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.

TerminologiaEstrutura

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 auto-suportar.

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

• 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 reforçoTratamento 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

trançada (Hoek &

Brown, 1980).

Aplicação da tela soldada através da colocação de um

segundo jogo de arruela e porca (Hoek & 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/cm2)

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 projetadoInconvenientes:

• 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 deformabilidadeou 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.

ReferênciasGonçalves, 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. 353-366.

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


Suportes Descontínuos

(e Ancoragens)

Sumário

• Introdução

• Definições

• Tipos de suportes

• Pilares Naturais

• Esteios (madeira, metálicos, hidráulicos)

• Pilhas (fogueiras, baterias, suportes auto-marchantes, 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)

Dimensionamento

de pilares e das câmaras

(Hoek e Brown, 1980)

Pilares naturais

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 aplicaçãoCambotas: 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

AncoragensIntrodução 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).

AncoragensHistórico:

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

Parafuso

de Cunha

Parafuso de

coquilhas

Ancoragem

de Ponta

Parafuso

"split set"

Parafuso

"swellex"

Parafuso

"worley"

Ancoragem em

Coluna Total

ANCORAGEM

MECÂNICA

Ancoragem com

resina (ativo)

Ancoragem

de Ponta

Ancoragem com

resina (ativo/passivo)

Ancoragem com

cimento (passivo)cable

bolt

Ancoragem em

Coluna Total

ANCORAGEM

QUÍ MICA

ANCORAGENS

INTERNAS

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 cimentoVantagens 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 boltCable 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%.


• 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


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 expansivoSwellex

• 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 pré-tensionado (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 boltExemplos

• 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 Copco01 Boltec MC – Atlas Copco

Dados:Diâmetro de Perfuração – 37mmDiâmetro do Tirante – 1”Comprimento – 3,20mCarga de ruptura – 25t (Resina)

- 10t (Expansível)

CabeamentoFrota:1 Cabolt – SANDVIK

Dados:Diâmetro de Perf . – 51mmDiâmetro 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 boltA 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)


• Biron e Ariôglu. Design of Support in Mines. 1983.

• Campoli, A. A.; Mills, P. S.; Todd, P.; Dever, K. Optimizing rebar resin annulus, p. 42-44. sd.

• Carnero, L. T. C.; Fujimura, F. 1995. Mecânica de Rochas Aplicada ao Dimensionamento do Sistema de Atirantamento em Minas Subterrâneas. Escola Politécnica/USP, 33pp.

• Couto, R. T. S. Arrancamento das pregagens e cabos de aço na Mina do Moinho, Aljustrel. 8o. Congresso Nacional de Geotecnia, Lisboa. 2002. 13pp. 2002.

• Cury, N. Comunicação oferecida na UFOP. Atlas Copco. 2007.

• Engineering and Mining Journal, outubro/2005, p. 38.

• Engineering and Mining Journal, dezembro/2006, p. 36.

• 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.

• Lacourt, R. Lavra de veios estreitos. Comunicação oferecida na UFOP. 2007.

Referencias• Gee e Wille. Construction of Northside Sidney Storage, World

Tunnelling, 2000.

• Lima, C. A. Comunicação em visita técnica da UFOP à Fosminas. 2007.

• Mining and Construction, n.1, 1p.; n. 2, 4p. 2007.

• Penna, L. T. S. Comunicação na Semana de Estudos Mineiros da Escola de Minas. Ouro Preto. 2005.

• Penna, L. T. S. Comunicação em visita técnica da UFOP à Mina São Bento. 2006.

• Redaelli, L. Nova Teoria e Novos Métodos de Atirantamento Subterrâneo. ABGE, São Paulo, 1987, 34 p.

• Stillborg, B. Professional Users Handbook for Rock Bolting, 1994, p. 1-30.

• Stimpson, 1998. Canadian Journal.

• Support and Water Control in Oslo. In: World Tunneling, may 1995, p. 167-171.

• Silva, J. M. Tendências no atirantamento subterrâneo. Brasil Mineral, dez/1998.

• Freepatentsonline.com.br, acessada em 14/10/2008

• dsiminingproducts. com, acessada em 14/10/2008

• Villaescusa et al, 2004.

• Brady e Brown, 2006.

Monitoramento de maciços

rochosos atirantados

MIN 225


Maio/2009

Sumário

• Conceitos Básicos

• Objetivos e premissas

• Monitoramento de tirantes

• Monitoramento de deslocamentos no

maciço

• Estudos de Caso

• Referências

ConceitosO 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 acionando a

bomba do macaco

hidráulico. São testados 3%

dos tirantes instalados.

(Votorantim)

Operador da bomba.

Teste de arrancamento

• Aplicação de cargas crescentes aotirante, medindo-se ascorrespondentes deformações, até quea carga produza um deslocamentomaior que 40mm ou o escoamento ouruptura da haste.

• Leituras de carga e deslocamento emincrementos de 500 kgf ou 5mm dedeslocamento (o que ocorrerprimeiro);

• velocidade de aplicação de carga nafaixa de 500 - 1000Kgf/min.

Perda de ProtensãoQueda 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.

http://pt.wikipedia.org/wiki/Transdutor

http://pt.wikipedia.org/wiki/Deforma%C3%A7%C3%A3o

http://pt.wikipedia.org/wiki/Material

http://pt.wikipedia.org/wiki/Resist%C3%AAncia

http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/5/53/Strain_gauge.svg

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 micro-

resistência 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”;


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.


• 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)

http://www.agapito.com/

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.


• Almida, L.D.F.; Souza, J. J. Extensometria - A difusão da utilização de extensômetros na análise de deformações. Unisanta. Sd.

• Andrade, Santos e Silva. Minérios e Minerales, pp. 34-41. 2003.

• Brady e Brown. Rock Mechanics for Underground Mining. 1985.

• Carer e Carraro. Celula de carga, 10p. Disponivel wm www.ucs.br, acessada em 2009.

• Couto. Arrancamento das pregagens e cabos de aço na Mina do Moinho, Aljustrel. 8º. Congresso nacional de Geotecnia,13p. 2002.

• Costa, A. M. 1984. Uma aplicação de métodos computacionais e princípios de mecânica da rochas no projeto e análise de escavações destinadas à mineração subterrânea. Tese de doutorado, COPPE/UFRJ,1488p.

• Dinis da Gama, C.; Navarro Torres, V.; Lopes, L.; Nobre, E. Interpretação geomecânica da subsidência na Mina de Panasqueira. 8o. Congresso Nacional de Geotecnia. Lisboa. 2002.

• Engineering and Mining Journal, setembro/2007, p. 42.

• Equipo Minero. Engineering and Mining Journal, n.1, 2006.

• Hanna, T.H. 1973. Foundation Instrumentation. Trans Tech Publications, 372p.

• Hoek, E. & Brown, E. T. 1980. Underground Excavations in Rock. The Institution of Mining and Metallurgy, 527p.

http://www.ucs.br/


• Chang-Yu Ou. Deep Excavation: theory

and practice. Taylor & Francis. 2006, p.

459-500.

• Hustrulid, W. A.; Bullock. Undregroun

Mining Methods. 2001, p. 120.

• www.civil.ua.pt

• www.scielo.br

• www.geo.cav.udesc.br.

http://www.civil.ua.pt/

http://www.scielo.br/

Interação Maciço – Suporte

Aula

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.

Introdução

Análise

• Vamos analisar o comportamento da deformação epressão 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

k

pp cmo

cr

1

2

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:

io

oie ppx

E

ru

1

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:

1

1

11

12

k

cmi

cmoop

pkk

kprr

Análise

• O deslocamento radial total da parede do túnel é

dado por:

io

o

p

croo

ip ppr

rpp

E

ru

2112

12

Análise

• Vamos analisar agora as características dadeformação do maciço do túnel com aaplicação do suporte.

• Em algumas estruturas rochosas complexas,a rigidez e o tempo de instalação do reforçotornam-se importantes e devem sercompatíveis com a resposta do maciçorochoso ou seja, com a curva de reação domaciço.

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 emexecução, foi elaborado, para efeito inicial de comparação, umanova classificação geomecânica específica para a mina de ouro,levando em consideração os principais parâmetros referentes aestabilidade do maciço rochoso, que foram obtidos através dadescrição de testemunhos de sondagem, observações emapeamento de campo e retroanálises dos critérios de contençãoanteriormente aplicadas. Paralelamente, foram também utilizadosos sistemas de classificação de maciços rochosos, mundialmenteconhecidos como Q de Barton e RMR de Bieniawski, no intuito dedar maior confiabilidade à classificação específica.

• 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).


• Com base na descrição de furos e observações decampo, foi verificado que o maciço rochoso podeser dividido, em classes, da seguinte maneira:

Classe I — Formação ferrífera/minério;

Classe II — X2(clorita xisto, meta andesito);

Classe III — X1 (filito grafitoso/xisto grafitoso);

Classe IV — X2 muito fraturado;

Classe V — X1 muito fraturado;


• CLASSIFICAÇÃO GEOMECÂNICA SEGUNDO O RMRDE BIENIAWSKI

• Na aplicação desse sistema de classificação, o maciçorochoso é dividido em regiões estruturais distintas e cadaregião é classificada separadamente. As fronteiras dessasregiões estruturais normalmente coincidem com umafeição estrutural principal, tipo uma falha ou umamudança de litologia. Em alguns casos, mudançassignificativas no espaçamento das descontinuidades ououtras características, dentro da mesma litologia poderequerer uma subdivisão.

Método – RMR de Bieniawski

• DEFINIÇÃO DOS ÍNDICES:

• - RESISTÊNCIA À COMPRESSÃO UNIAXIAL:

- Formação ferrífera/minério = I8OMPa - índice = 12

- X1 = 56MPa - índice = 7

- X2 = 96MPa - índice = 7

- X1 muito fraturado = 56MPa índice = 7

- X2 muito fraturado = 96Mpa índice = 7

• - RQD:

- Formação ferrífera/minério = 95% índice = 20

- X1 =80% índice = 17

- X2 = 85% índice = 17

- X1 muito fraturado = 20% índice = 3

- X2 muito fraturado = 20% índice = 3

- ESPAÇAMENTO DAS DESCONTINUIDADES:

- Formação ferrífera/minério = 0,2m a 0,6m índice = 10

- X1 = 0,2m a 0,6m índice = 10

- X2 = 0,2m a 0,6m índice = 10

- X1 muito fraturado = 0,06m a 0,2m índice = 8

- X2 muito fraturado = 006m a 02m índice = 8


• - 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: > 20m- índice = 0


Rugosidade: estriada - índice = 0 índice total = 17



- Xl muito fraturado = superfície estriada e espelhada - índice = 10

- X2 muito fraturado:

Persistência: > 20m - índice = 0


Rugosidade: estriada - índice = 0 índice total = 17




• - 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.


• 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)


• UTILIZAÇÃO DO SOFTWARE MRMR

DESENVOLVIDO POR LAUBSHER, PARA CÁLCULODO RMR

Para se verificar a coerência dos valores de RMRencontrados acima, foi utilizado o software MRMR para asseguintes litologias: Formação ferrífera/minério, X1 e X2.Os resultados obtidos mostraram valores de RMR muitopróximos, consequentemente coerentes, com os valoresencontrados acima, através do método convencional,conforme veremos a seguir.


• CONTENÇÃO SUGERIDA SEGUNDO O SISTEMA RMR

De acordo com a tabela a seguir que associa as contenções à qualidadedo maciço rochoso para uma escavação de 10m de vão, tem-se:

- Para RMR = 74 (Formação ferrífera/minério), a contenção sugerida é detirantes localizados no teto com 3m de comprimento, espaçados 2,5m,com telamento ocasionalmente, mais 5cm de concreto projetado, noteto, onde requerido.

- Para RMR = 54 (X1), atirantamento sistemático com 4m decomprimento, espaçados de 1,5m a 2,0m no teto e nas paredes, comtelamento no teto mais 5cm a 10cm de concreto projetado no teto e3cm nas laterais.


- Para RMR = 61 (X2), verifica-se que o maciço encontra-se no limiteentre rocha de boa qualidade e rocha de qualidade regular. Nestecaso, o método sugere que a contenção seja feita considerando omaciço de melhor qualidade, que é igual à sugenda para aformação ferrífera/minério. Caso seja observado após, que acontenção inicialmente aplicada, não está sendo eficiente, deve-seaplicar a contenção sugenda para o maciço rochoso com RMRmenor que 61, igual ao recomendado para o X1.

- Para RMR = 38 (X1 fraturado), a contenção sugerida éatirantamento sistemático de 4m a 5m de comprimento, espaçadosde 1 m a 1 ,5m no teto e nas paredes, com tela metlica. Aplicaçãode 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 deatirantamento sistemático de 4m de comprimento, espaçados de 1,5m a 2,0m no teto e nas paredes, com telamento no teto mais 5cma 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

• 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

escavações subterrâneas - apostila min225

Documents